hkw-aero calculs, essais et réglementation 2014/15 indice

HKW-aero Calculs, essais et réglementation 2014/15 Indice B6 le 4.1.2020 1 / 45

Calculs, essais et réglementation

http://www.hkw-aero.fr

Indice B6 le 4.1.2020

http://www.hkw-aero.fr/projet.html


Sommaire

1- Réglementation

2- Tests sous-ensembles

2 1- Fuselage

2 2- Longeron

2 3- Train d'atterrissage

3- Essais avion complet

3 1- Introduction

3 2- Montage de l'avion et du système de palonnier

3 3- Passage de l'avion sur le dos

3 4- Première mise en charge de l'avion

3 5- Recherche de solutions correctives

3 6- Mise en charge finale de l'avion

4- Pourquoi tant de ruptures lors des essais ?

5- Conclusion


1- Réglementation

La réglementation des avions UL industriels et de charge alaire

supérieure à 30 kg/m² doit respecter pour l’essentiel la

réglementation CS23 niveau 1 (anciennement CS VLA).

La réglementation UL impose un facteur de charge de 4 g en

positif, 2 g en négatif (g = accélération terrestre [m/s²]). 4 g

représente le facteur de charge maximum que rencontrera

l'aéronef pendant les quelques décennies de son existence. Le

coefficient de sécurité imposé est de 1,5 pour les calculs et pour

les essais). Ceci sous entend des calculs et essais réalisés


avec 6 g, ce facteur de charge étant dit "facteur de charge

extrême". Entre 4 et 6 g, la réglementation accepte une

dégradation de l'aéronef sous réserve que cette déformation

permanente n'entraîne pas la perte de la machine (et de

l'équipage). Le facteur de charge de 6 g doit être tenu au moins

3 secondes. Au delà de 3 secondes, la rupture est acceptée.

Lors des essais, la réglementation impose de vérifier le bon

fonctionnement des commandes malgré les déformations sous

facteur de charge.


2- Tests des sous-ensembles

En amont de l’essai au sol de l'avion complet, la plupart des

sous-ensembles et composants ont été testés individuellement.

2 1- Fuselage

Lors des essais fuselage isolé, quatre fuselages ont été

partiellement détruits. Un cinquième fuselage à été très

endommagé plusieurs fois lors des essais de l’avion complet.

La solution finale passe sans encombre les 6 g.


Exemple de cas de charge : décrochage sous facteur de charge

max. Dans cette configuration, la résultante aérodynamique sur

l'aile est orientée vers l'avant. Les efforts sur les points

d'attache de l'aile sont considérables et très dimensionnants.

Dans notre cas, nous avons une charge extrême de 10000 N

(une tonne) à l'horizontale sur les points d'attache de l'aile.

Les photos pages suivantes présentent les essais liés à ce cas

de charge.


Ruptures pour cause d'instabilité des matériaux :


Ouverture du fuselage, recherche de solutions correctives et

réparation :


Ce cycle a été réalisé plusieurs fois...

Essai final :

– la charge extrême a été

dépassée 10 % ;

– les déplacements sont

proportionnels aux

efforts et reviennent à

zéro après décharge,

ceci sous-entend que

nous restons dans le

domaine élastique.


2 2- Longeron

Le longeron est dimensionné pour résister à 6 g. Au niveau de

l'emplanture, la semelle comprimée du longeron supporte un

effort d'environ 130000 N (13

tonnes) en compression !

Bien entendu, la partie

comprimée va flamber (dfn : le

flambage est la conséquence de

l'instabilité des matériaux soumis à la compression) et déverser

si elle n'est pas contenue. Notre longeron est contenu dans le


canal de l'aile et, dans la partie centrale (fuselage), renforcé par

un dispositif antidéversement.

Les premiers essais du longeron isolé ont conduit à une rupture

prématurée du dispositif

antidéversement de la

partie centrale, et ce,

malgré nos calculs et

marges de sécurité.

Ceci confirme une fois

de plus l'importance de

réaliser des essais.


Le dispositif antidéversement a été recalculé et renforcé. Le

nouveau système a donné entière satisfaction sous 6 g.

Valider la méthode de calcul du longeron composite : sa

structure comprend des profilés en carbone pultrudés pour les

semelles et d'une âme en biaxe carbone à 45°. Nous sommes

loin des cas d'école « poutre et matériaux isotrope » (dfn. : un

matériau est dit isotrope si ses propriétés mécaniques sont

identiques dans toutes les directions) d'où l'intérêt de valider la

méthode de calcul en comparant les déplacements calculés

avec les déplacements mesurés lors des essais.


2 3- Train d'atterrissage

La réglementation UL n'a pas de spécifications particulières

pour le train d'atterrissage, nous avons donc retenu les

exigences de calculs et d'essais de la CS23 niveau 1

(anciennement CS VLA).

Dans ces conditions, en atterrissage extrême, nous avons

environ 10000 N (une tonne) sous chaque roue du train

principal et environ 4 fois plus au niveau des points

d’introduction des efforts dans la cellule. A noter que cet effort

extrême est fonction de la déflexion du train et de son mode de


décélération. Ainsi, un train plus rigide conduirait à des efforts

encore plus élevés.

Processus d'essai :

1- essai de la jambe de train isolée ;

2- essai de l'élément de liaison jambe de train sur axe de roue ;

3- essai train complet monté sur la cloison principale de l'avion.

Ce dernier essais permet aussi de contrôler les éléments de

reprise du train et de la cloison principale.


1- Essai de la jambe de train isolée (jusqu'à la rupture) :


2- Essai de l'élément de liaison jambe de train sur axe de roue :


3- Essai du train complet monté sur la cloison principale de

l'avion. Cet essai permet aussi de contrôler les éléments de

reprise du train et de la cloison principale.

Le banc d'essai a nécessité un développement particulièrement

long. Le résultat final consiste à lier la cloison principale à une

masse puis à laisser chuter l'ensemble d'une hauteur donnée

(cf. drop test CS23). Bien entendu, les déformations sont

mesurées en différents points. L'essai est spectaculaire et

laisse penser que l'équipage serait particulièrement secoué

dans ces conditions d’atterrissage extrême.


Dispositif pour réaliser les « Drop-Tests » :


Les essais des grands sous-ensembles ont été complétés par

les essais de nombreux autres composants.


3- Essais avion complet3 1- Introduction

A ce stade, nous disposions de sous-ensembles dûment testés,

restait à réaliser l'essai de l'avion complet.

Cet essai permettait de tester en plus la résistance en torsion

de l'aile, le longeronnet, le fuselage, la tenue de l'assise...

Quant à ce dernier point, il nous a fallu imaginer un système de

reprise directement sur l'assise. Aussi, nous avons imaginé de

reprendre, lors des essais, le fuselage en trois points : cloison

moteur, assise, point de reprise empennage horizontal. Nous


abordions cet essai avec beaucoup d'incertitudes compte-tenu

du nombre d’éléments impliqués.

Comment reprendre le fuselage en trois points avec pour

objectif d'avoir une répartition constante, entre ces trois points,

quelle que soit la charge ? Un système de palonnier répond à

cette problématique :


A noter que la tenue du fuselage (cf. photos pages suivantes) et

de l'assise sont des points particulièrement dimensionnants :


3 2- Montage de l'avion et du système de palonnier


3 3 – Passage de l'avion sur le dos


3 4- Première mise en charge de l'avion

...et rupture prématurée du fuselage pour cause d'instabilité.

Rappelons que les

phénomènes

d'instabilité sont

quasi impossibles à

prédire par calcul

sur des structures

complexes.


3 5- Recherche de solutions correctives

Ce cycle a été réalisé plusieurs fois toujours pour cause

d'instabilités constatées...


3 6- Mise en charge finale de l'avion et vérification du fonctionnement des commandes


...les 6 g sont atteints :


...ce qui correspond à une voiture sur chaque aile :


Les trois secondes imposées par la réglementation sont

largement dépassées, nous avons pris 20 minutes pour

analyser les déformations et mesurer les déplacements. Les

valeurs mesurées sont

conformes aux calculs

excepté l'angle de torsion

qui s'avère sensiblement

moins élevé que ce que

nous avions prévu. Ceci

est une bonne nouvelle.


Notons aussi les déformations sur les flancs du fuselage :

...déformations disparues après décharge !


Déformations de l'aile à l'emplanture :

...déformations elles aussi disparues après décharge.


Cet essai a été complété par des essais sous facteur de charge

négatif, par des essais de la tenue des empennages et des

commandes de vol.


4- Pourquoi tant de ruptures lors des essais ?

Un calcul de résistance des matériaux, aussi pointu soit-il, n'est

qu'une approximation de la réalité. Pour cette raison, calcul puis

essai à 6 g, il est courant voire normal de rompre lors des

essais. L'essentiel étant de renforcer la cellule pour passer les

tests 6 g avec succès. Ces renforcements consistent

principalement à raidir les zones instables. Les bancs et

processus de tests sont conçus pour limiter les conséquences

des effondrements de structures. Bien entendu il serait toujours

possible de dimensionner à 8 g, mais l'avion serait

irrémédiablement trop lourd donc moins performant...


Ainsi, l’avion a été maintes fois réparé et renforcé au fil des

effondrements de structure. Ceci d'une part pour une question

de coût, d'autre part pour réaliser les essais avec des sous-

ensembles dégradés puis réparés. Par exemple, certains sous-

ensembles fortement sollicités ont été dé-rivetés re-rivetés

plusieurs fois. Procéder ainsi permet de prendre en compte les

dégradations et réparations possibles de l'avion au fil de son

vieillissement.

Pour ces raisons, le prototype aura déjà bien vécu avant son

premier vol... mais la cellule aura résisté avec succès à ces

sollicitations extrêmes.


5- Conclusion

Nous avons constaté que les calculs numériques réalisés n'ont

pas détecté les destructions par instabilité que nous avons

constatées lors des essais.

Le processus de développement est intimement lié à la

combinaison de calculs (analytiques pour l'essentiel puis

numériques dans un second temps) et d'essais. En ce sens, la

réglementation ne doit pas être perçue comme une contrainte

mais comme un élément essentiel du processus de conception.


Nous pourrions représenter ceci par une chaîne...


Rajoutons que les essais conduisent à augmenter légèrement

la masse, mais c'est le prix à payer pour avoir confiance dans la

résistance de l'avion.

La réussite de ces essais nous permet d’aborder les premiers

vols avec confiance.


Merci pour votre attention.

hkw-aero calculs, essais et réglementation 2014/15 indice

Documents