Nouvelle méthode de conception réduit le poids carbone pour avions et véhicules plus légers

Des chercheurs de l'Université des Sciences de Tokyo (TUS, Japon) ont adopté une nouvelle méthode de conception qui optimise à la fois l'épaisseur et l'orientation des fibres de carbone, réalisant une réduction de poids dans les composites renforcés fibres et ouvrant la voie à des avions et véhicules automobiles plus légers.

TUS pointe vers les polymères renforcés fibres de carbone (PRFC) qui ont été continuellement étudiés pour améliorer la résistance. La plupart de ces études, selon TUS, se sont concentrées sur une technique particulière appelée « conception à fibres orientées » (fiber-steered design), qui optimise l'orientation des fibres pour améliorer la résistance.

Cependant, l'approche de conception à fibres orientées n'est pas sans inconvénients. « La conception à fibres orientées n'optimise que l'orientation et maintient l'épaisseur des fibres fixe, empêchant l'utilisation complète des propriétés mécaniques des PRFC. Une approche de réduction de poids, qui permet l'optimisation de l'épaisseur des fibres aussi, a été rarement considérée », explique le Dr Ryosuke Matsuzaki de TUS, dont la recherche porte sur les matériaux composites.

Face à ce contexte, le Dr Matsuzaki — avec ses collègues de TUS, Yuto Mori et Naoya Kumekawa — a proposé une nouvelle méthode de conception pour optimiser simultanément l'orientation et l'épaisseur des fibres selon l'emplacement dans la structure composite, ce qui leur a permis de réduire le poids du PRFC comparé à un modèle de stratification linéaire à épaisseur constante sans compromettre sa résistance. Leurs résultats sont publiés dans une nouvelle étude dans Composite Structures.

Leur méthode consistait en trois étapes : processus préparatoire, itératif et de modification. Dans le processus préparatoire, une analyse initiale a été réalisée par la méthode des éléments finis (MEF) pour déterminer le nombre de couches, permettant une évaluation qualitative du poids par un modèle de stratification linéaire et une conception à fibres orientées avec modèle de variation d'épaisseur. Le processus itératif a été utilisé pour déterminer l'orientation des fibres par la direction des contraintes principales et calculer itérativement l'épaisseur en utilisant la « théorie de contrainte maximale ». Finalement, le processus de modification a été utilisé pour apporter des modifications tenant compte de la fabricabilité en créant d'abord un « faisceau de fibres de référence » dans une zone nécessitant une amélioration de la résistance, puis en déterminant l'orientation et l'épaisseur finales en disposant les faisceaux de fibres de manière qu'ils s'étendent des deux côtés du faisceau de référence.

La méthode d'optimisation simultanée a conduit à une réduction de poids supérieure à 5 % tout en permettant une efficacité de transfert de charge supérieure à celle obtenue avec l'orientation des fibres seule.

Les chercheurs notent qu'ils sont enthousiasmés par ces résultats et attendent avec impatience la future implémentation de leur méthode pour une réduction de poids supplémentaire des pièces PRFC conventionnelles. « Notre méthode de conception va au-delà de la sagesse conventionnelle de la conception composite, permettant des avions et automobiles plus légers, qui peuvent contribuer à la conservation d'énergie et la réduction des émissions de CO₂ », observe le Dr Matsuzaki.