Cours n°6: Efforts, contraintes et matériaux utilisés

24 10 2008

Contraintes et matériaux utilisés

Les contraintes sur la cellule

Forces s’exerçant sur un avion : forces s'exerçant sur un avion


la portance: C’est une force, aussi appelée sustentation, dirigée du bas vers le haut, et qui a son centre en un point de l’aile: le centre de poussée. Elle est opposée au poids de l’avion et doit lui être au moins égale pour que l’avion s’élève. Elle résulte de la pénétration dans l’air de l’aile.

La trainée: C’est la force opposée au déplacement de l’avion et qui résulte de sa résistance à l’air . C’est la résistance à l’avancement, on cherche donc à la réduire au maximum. Pour résumer, on dira que la force qui s’exerce sur l’aile est la résultante aérodynamique. Elle se décompose en deux forces : la Portance et la traînée

resultante aéronautique

le poids:

C’est une force qui agit sur la masse totale de l’avion. Elle s’applique en un point: le centre de gravité. Elle est dirigée vers le centre de la Terre et s’exprime en Newton.

C’est contre cette force que l’aéronef doit lutter pour s’élever dans les airs. Pour que l’altitude soit constante, il faut que la valeur de la portance soit égale à celle du poids. Le poids joue aussi un rôle dans le choix des matériaux et dans la structure de l’avion car la voilure et le fuselage subissent des efforts importants.

Traction

Elle provient des moteurs par l’intermédiaire de l’hélice. Si l’avion a des réacteurs, c’est la poussée de ceux ci qui équilibre la traînée. Une hélice imprime à une masse d’air une accélération vers l’arrière et elle reçoit à son tour une force dirigée vers l’avant: c’est la traction et l’avion est propulsé vers l’avant. Lors du décollage, l’aile rencontre l’air chassé par l’hélice, et il commence à y avoir une portance.



Une contrainte résulte d’une force s’appliquant sur une surface. Les principales contraintes sont :

La traction

La compression

La torsion

La flexion

La compression

Le cisaillement

Résistance des matériaux :

Chaque matériau a un comportement spécifique vis-à-vis des contraintes. On choisira donc pour la construction, le matériel le plus approprié :

Bois, toile et dérivés

Blériot XI Blériot XI

Bois : principalement utilisés dans les débuts de l’aviation. Encore utilisé dans l’aviation légère. Ils doivent être sans défaut et bien secs et avoir l’agrément GSAC. Les essences sont choisies en fonction de leurs caractéristiques :

Les pièces maîtresses : en spruce et épicéa

Pièces secondaires : sapin et pin d’orégon

Patins, fixation de train : frêne et hêtre

Pour le contreplaqué : okoumé et bouleau

Toiles : lin et coton dans les débuts, dacron aujourd’hui.

Par dérivés on entend les contreplaqués. Ce sont des assemblages de feuilles de bois (appelés « plis »), en nombre impair et dont les axes de fibres se croisent à 45° ou 90°.

Métaux

lockheed SR-71 Lockheed SR-71 Blackbird, avion militaire, mais non armé. C’était un avion de reconnaissance. Le 27 juillet 1976, un établi un record simultané d’altitude et de vitesse en atteignant 3528 km/h à 25929 mètres (jamais égalé). Il en existait 32 exemplaires, de 1968 à 1990. Revêtement en titane.

Zicral

Duralinox

Aciers

Alliages de magnésium

Alliages de titane

Monel

Duralumin

Alpax

Résines (epoxide)

Produits liquides constitués d’une base et d’un durcisseur, qui permettent un durcissement irréversible sous certaines conditions de température.

Tissus de fibre

Tissus réalisés à partir de fibre de verre, carbone ou bore.

Le nid d’abeille (Structure cellulaire similaire en apparence au nid d’abeille naturel).

Matériaux composites

On désigne sous ce nom des matériaux constitués par l’assemblage de matériaux de base (résines et tissus de fibre). On obtient ainsi des propriétés mécaniques et physiques performantes :

Matériaux agglomérés (tissus de fibre imprégnés de résine). On les utilise en particulier pour les revêtements de voilure, les revêtements de pâles d’hélicoptère, le renforcement des bords d’attaque, les trappes de visite.

Matériaux sandwich (nid d’abeille entre 2 feuilles fibre/résine ou métal). Matériaux légers et de grande résistance, pour les éléments aérodynamiques, tels que gouverne, pâles d’hélico, spoilers.

Limite élastique – rupture

Les matériaux comme le métal ou le bois se déforment suivant l’intensité de l’effort subi :

· le matériau de déforme puis reprend sa forme initiale à la fin de l’effort, la déformation est élastique

· le matériau se déforme mais ne reprend pas sa forme initiale, la déformation est permanente

· le matériau se déforme puis se casse, c’est la rupture

En aéronautique, seule la déformation élastique est tolérée. On trouve les vitesses limites en fonction de la configuration de l’avion et les facteurs de charge limites dans le manuel de vol, dans la section « Limitations ».

Vieillissement – fatigue des matériaux

Un matériau soumis à des contraintes répétées casse, même si ces contraintes sont en dessous de la contrainte amenant à la rupture : les matériaux ont une durée de vie limitée. C’est pourquoi les constituants des avions doivent être vérifiés lors de la visite d’entretien périodique.

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