Des chercheurs de Virginia Tech développent IGA pour une modélisation plus efficace des composites skin-stringer avec des découpes complexes

Des structures unitisées sont utilisées pour construire des avions plus légers et plus respectueux de l'environnement. Ces matériaux composites multicouches avancés offrent des rapports résistance/poids élevés et sont donc de plus en plus utilisés dans les industries de l'aérospatiale et de la construction navale, entre autres.

Cependant, lorsqu'elles sont utilisées dans des véhicules spatiaux hypersoniques, de telles structures subissent une élévation de température importante en peu de temps, résultant de l'échauffement aérodynamique dû au frottement entre la surface du véhicule et l'atmosphère. De tels phénomènes sont plus importants pendant les processus de rentrée et de lancement. Pour cette raison, la prise en compte des effets thermiques est importante dans la conception et l'analyse de telles structures.

En raison d'une augmentation des exigences imposées aux composites stratifiés, pour une pléthore d'applications d'ingénierie, l'utilisation de plaques avec des découpes de forme arbitraire est inévitable. Mais la réponse des structures aux charges peut être considérablement affectée en raison de la présence de telles découpes. L'étude des composites stratifiés avec découpes étant un problème complexe, les méthodes numériques sont largement utilisées. Aujourd'hui, des chercheurs du Virginia Polytechnic Institute et de l'Université d'État (Virginia Tech, Blacksburg, Virginie, États-Unis) ont combiné l'analyse isogéométrique (IGA) récemment évoluée pour modéliser des panneaux composites raidis curvilignes avec des découpes de différentes formes et tailles.

Selon le Dr Balakrishnan Devarajan, ancien doctorant au sein du Unitized structures Group de Virginia Tech, « IGA offre une précision et une efficacité accrues et représente la géométrie exacte des raidisseurs à chaque niveau de raffinement du maillage. Il permet également plus de flexibilité dans le raffinement à proximité des zones où les raidisseurs et la plaque composite sont connectés. »

Le développement réalisé par le Dr Devarajan et son collaborateur, le Dr Rakesh Kapania, présente une nouvelle façon d'obtenir la continuité du déplacement entre les points de contrôle du raidisseur et de la plaque à l'aide d'une matrice de fonction d'interpolation. Le raidisseur curviligne a été généré avec précision par seulement trois points de contrôle (Fig. 1). Les chercheurs ont utilisé plusieurs patchs pour créer des géométries de découpe complexes et ont également formulé une méthodologie pour appliquer des conditions d'interface qui préservaient la continuité d'ordre supérieur sur plusieurs patchs. La méthode développée évite la nécessité de faire coïncider les nœuds du raidisseur avec les nœuds de la plaque.

L'analyse et la comparaison avec les méthodes d'éléments finis standard montrent des taux de convergence, de précision et d'efficacité plus élevés en utilisant IGA. Ce travail sera bientôt disponible sous forme de code opensource sur GitHub. La recherche a été publiée dans Composite Structures article :« Flambage thermique de plaques composites stratifiées à raidissement curviligne avec découpes à l'aide d'une analyse isogéométrique ».