Virginia Tech fait progresser la conception d'avions composites avec nouvelle IGA pour structures peau-longerons avec découpes complexes

Les structures unitaires sont utilisées pour construire des avions plus légers et plus respectueux de l'environnement. De tels matériaux composites avancés, multicouches, offrent des rapports résistance/poids élevés et sont ainsi de plus en plus utilisés dans les industries aérospatiale et construction navale entre autres.

Cependant, quand utilisés dans véhicules spatiaux hypersoniques, de telles structures subissent une hausse de température significative en peu de temps, résultant du chauffage aérodynamique dû au frottement entre la surface du véhicule et l'atmosphère. De tels phénomènes sont plus proéminents pendant les processus de rentrée et lancement. Pour cette raison, considérer les effets thermiques est important dans la conception et l'analyse de telles structures.

En raison d'une augmentation des exigences placées sur les composites stratifiés, pour une pléthore d'applications d'ingénierie, l'utilisation de plaques avec découpes de forme arbitraire est inévitable. Mais la réponse des structures aux charges peut être significativement affectée due à la présence de telles découpes. Comme l'étude des composites stratifiés avec découpes est un problème complexe, les méthodes numériques sont utilisées extensivement. Maintenant, des chercheurs du Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech, Blacksburg, Virginie, États-Unis) ont combiné l'analyse isogéométrique (IGA) récemment évoluée pour modéliser des panneaux composites raidis curvilignes avec découpes de diverses formes et tailles.

Selon le Dr Balakrishnan Devarajan, ancien doctorant au groupe Structures Unitaires de Virginia Tech, « L'IGA offre une précision et efficacité accrues et représente la géométrie exacte des raidisseurs à chaque niveau de raffinement de maillage. Elle permet aussi plus de flexibilité dans le raffinement près des zones où les raidisseurs et la plaque composite sont connectés. »

Le développement complété par le Dr Devarajan et son collaborateur, le Dr Rakesh Kapania, introduit une nouvelle façon d'atteindre la continuité de déplacement entre les points de contrôle du raidisseur et de la plaque en utilisant 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 aussi formulé une méthodologie pour imposer des conditions d'interface qui préservaient la continuité d'ordre supérieur à travers multiples patchs. La méthode développée élimine la nécessité d'avoir les nœuds du raidisseur coïncidents avec les nœuds de la plaque.

L'analyse et comparaison avec les méthodes standard d'éléments finis montrent des taux de convergence, précision et efficacité plus élevés en utilisant l'IGA. Ce travail sera bientôt disponible en code open source sur GitHub. La recherche a été publiée dans l'article Composite Structures : « Thermal buckling of curvilinearly stiffened laminated composite plates with cutouts using isogeometric analysis ».