Train d'atterrissage de l'hélicoptère NH-90 

Source : Article sur les Composites de Haute Performance

Composites complexes allégeant l’hélicoptère de l'OTAN
Un consortium néerlandais développe un train d'atterrissage critique en composite avancé, répondant aux performances de l’hélicoptère NH90.
Résultats du concept:
• Plus léger et plus résistant que le concept en métal actuel
• Un renforcement tressé permettant une automatisation de préformes
• Tests de performance confirmant les prédictions d'analyse par éléments finis.

L'application de matériaux composites à fibres de carbone pour les ailes et le fuselage d'un avion récemment conçu, est devenue une pratique courante. Un domaine de la conception d’avions qui continue à défier le monde des composites cependant, est le train d'atterrissage. Comme représentant des éléments de structure primaire avec des charges concentrées, la pratique traditionnelle a toujours consisté d’un concept conservatif en métal. Cependant cela pourrait changer si une équipe de sociétés néerlandaises arrive à obtenir du succès dans ses efforts pour la conception et la fabrication d’un train d’atterrissage léger, en composite durable pour les hélicoptères et avions à ailes fixes. SP systèmes et véhicules aérospatiaux (Geldrop, Pays-Bas) est sous contrat pour le développement, la qualification et la production d'un ensemble de train d'atterrissage arrière rétractable et résistant aux crashs, pour l'hélicoptère NH90 de l'OTAN, à la fois pour la version Armée de terre (HTT, ou Hélicoptère Transport Tactique) que pour la version de la Marine (HFO, Hélicoptère Frégate de l’OTAN). Issu du développement conjoint d'Eurocopter (Allemagne et France), d’Agusta (Italie) et de Fokker (Pays-Bas), cet hélicoptère dans la classe des 10 tonnes sera utilisé pour une grande variété de tâches, telles que le transport de troupes, cargaison et pour des opérations anti-sous-marins. Les composites sont largement utilisés dans l'hélicoptère, comme dans la cellule, les stabilisateurs et des pales du rotor. Des prototypes de développement de l'hélicoptère volent depuis 1995 et la livraison de la première production de série est prévue pour 2004. L’Agence de Gérance des Hélicoptères de l'OTAN (NAHEMA), consistant de la France, de l'Allemagne, de l'Italie, des Pays-Bas et du Portugal a commandé 253 hélicoptères avec une option pour 124 supplémentaires. Les pays nordiques (Suède, Finlande et Norvège) ont commandé 52 unités, avec une option pour 17 supplémentaires. Le train d'atterrissage est actuellement conçu en métal. Dans le milieu des années 1990, SP Aerospace, en coopération avec la section des Structures et Matériaux du Laboratoire National de l’Aérospatiale des Pays-Bas, NLR (Amsterdam, Pays-Bas) a commencé à explorer l'utilisation de matériaux composites avancés, convaincus que la technologie des composites avait mûri à un point où une application du train d'atterrissage était pratique, selon René Hekerman, directeur de l'ingénierie chez SP Aerospace. En 1996, l'équipe a lancé un projet de développement technologique afin de concevoir, construire et valider des éléments composites de torsion en fibres de carbone et un assemblage de bras oscillant en fonction des spécifications du train d’atterrissage du NH90.SP Aerospace est la société directrice pour le projet, responsable de la conception des spécifications des composants, de l’intégration des composants dans le train d'atterrissage, et de l'essai et de la qualification des composants. NLR s’occupe du design conceptuel des éléments composites, du développement des tolérances du concept, du développement et de la fabrication des moules RTM de production, des pièces composites et des tests des sous-composants. Deux partenaires additionnels fournissent une expertise spécifique: Eurocarbon (Sittard, Pays-Bas) est responsable de la mise en place d'une technique de sur-tressage entièrement automatisée pour la fabrication de préformes au bon rapport coût-efficacité, pour les bras oscillants en composites, tandis que MSG Software Benelux SARL (Gouda, Pays-Bas) fournit l'analyse par éléments finis (AEF) de la résistance mécanique des structures composites. Financé par le gouvernement néerlandais et les partenaires eux-mêmes, le programme est divisé en deux phases: le développement et la validation technologique. Le bras de torsion a été développé de 1996 à 1999. Ce composant relativement simple a été utilisé en tant démonstrateur afin d'amener le concept, l'analyse et les capacités RTM à un niveau supérieur. Cela a permis le développement de bras oscillants à formes très complexes, qui a vu ses débuts en 1998 et fut en grande partie achevé en 2002.


Les pièces complexes bénéficient du logiciel de conceptualisation et d'analyse

Pour la conceptualisation, les charges ont été calculées à partir de l’atterrissage de l’hélicoptère et par des cas de manœuvre au sol et sur navire. Une vitesse de crash spécifiée de 11m/36 pieds par seconde donne lieu à une combinaison de charges de flexion et de torsion élevées actant sur le bras oscillant. Afin de garantir une tolérance aux dommages suffisante, des niveaux de déformation maximaux du concept ont été déterminés expérimentalement. Étant donné que les composants du train d'atterrissage possèdent des charges concentrées, les niveaux de déformation pour les trous d'épingle (les ouvertures dans lesquelles sont insérés des pivots lorsque les composants du train d'atterrissage sont assemblés) ont été déterminés par des tests sur les sous-composants. 


Les parties ont été conçues à SP Aerospace en utilisant le logiciel Pro/Engineer (PTC, Needham, Massachusetts, USA), tandis que le NLR utilisait CATIA (IBM PLM, Dallas, Texas, USA) pour la conception d'outillage. A partir des différents codes d'éléments finis qui sont fournis par MSC Software, l'équipe a choisi d'utiliser MSC Marc pour ce projet, dénote Martin Oudendijk, conseiller technique de logiciels MSC. Cette décision fut fondée sur les capacités non linéaires du programme dans les domaines de comportement des matériaux (par exemple, la défaillance des matériaux) et de la géométrie, par ex. contact 3D automatisé entre les différents composants modélisés. 

MSC.Marc a la capacité d'analyser les matériaux composites stratifiés, avec les différentes orientations de fibres dans chaque couche. Certaines sections du bras oscillant possèdent jusqu'à 50 couches de renforcement, ce qui complique énormément l'analyse. Afin de réduire le nombre d'éléments et le nombre de degrés de liberté du système, les routines ont été développées afin de traiter les composites stratifiés comme étant homogènes, mais tout de même formant un matériau orthotrope. Pour calculer ces propriétés du matériau homogène, des tests numériques sont effectués sur une cellule unitaire - le cube de matière qui constitue un "élément fini" dans le matériau stratifié. Les résultats de ces expériences numériques sont ensuite convertis en propriétés moyennes. Un modèle d'endommagement est mis en œuvre qui simule une fracture dans une zone de l’élément et détermine si oui ou non les charges qui en résultent se propageraient à d'autres sections, à savoir, les charges dépassant leur limite et causant le délaminage. Cela a également été appliqué au matériau homogène, en calculant les dommages dans le matériau stratifié. La partie de l'analyse du projet a été divisé en trois sous-projets, impliquant l'analyse du bras de torsion, la partie médiane du bras oscillant et le bras oscillant à échelle réelle.

Préformation et RTM prouvent les capacités de fabrication
Le moulage par transfert de résine (RTM) a été choisi comme méthode de fabrication pour les deux composants car les formes des composants du train d'atterrissage sont souvent complexes et donc très difficile, voire impossible, à fabriquer en utilisant les technologies de pré-imprégnés/ autoclave, comme le souligne Thuis de NLR.

Les préformes pour les bras de torsion et les blocs centraux du bras oscillant sont laminées à la main, en utilisant des tissus textiles à fibres de carbone fournies par C. Cramer & Cie (Heek-Nienborg, Allemagne).La préforme du bras oscillant est fabriquée de la manière suivante. D'abord, deux tubes en carbone/époxy à base de pré-imprégnés roulés sont liés à une base constituée d'un alliage métallique à basse fusion. Cette assemblée est alors sur-tressée de façon triaxiale par Eurocarbon en utilisant la fibre de carbone T300-12K de SOFICAR, une division de fibres de carbone Toray (Abidos, France). Selon le directeur d’Eurocarbon Voskamp Arnold, approximativement 60% des fibres sont placées dans l'orientation ± 45 °, et 40% dans le sens longitudinal. De par leur concept, l’épaisseur finale de la paroi varie de 15 à 30 mm/0.6 à 1,2 pouces à plus de 50% de fibres par volume. La tresseuse utilisée est une machine porteuse 96 contrôlée par ordinateur et peut traiter des pièces allant jusqu’à 600 mm/23.6 pouces de diamètre et jusqu'à 7 m /23 pieds de long. Voskamp affirme qu’Eurocarbon a récemment installé une machine porteuse 216 pour des préformes encore plus grandes.

Avant de charger les moules RTM, la préforme du bras oscillant et la préforme du bloc sont assemblées. La préforme assemblée est ensuite placée dans un outil en aluminium. Après la fermeture, le moule est chauffé et une résine à base d’époxy spécialement développée par Cytec Engineered Materials (Tempe, Arizona, USA) est injectée sous pression pendant une période de plusieurs heures. Afin de déterminer la stratégie optimale d'injection, des simulations de flux approfondies ont été menées au NLR. Pendant le cycle du RTM, un système d'acquisition de données enregistre les paramètres les plus importants, tels que la température de la résine, la température du moule, le flux de résine et de la pression d'injection, afin de démontrer la reproductibilité du processus RTM, explique Thuis. Après une cuisson de deux à trois heures dans le moule, le bras oscillant composite est enlevé et placé librement dans un four pour une après cuisson, au cours de laquelle la base en alliage fond. L'alliage peut être réutilisé pour le bras oscillant suivant. Le seul usinage nécessaire consiste de couper les extrémités du bras oscillant, de fraiser les bords des blocs et de percer les trous dans les blocs. Les bras de torsion supérieurs et inférieurs font approximativement 175 mm / 7 pouces de long et pèsent de 0,12 à 0.13kg/0.26 à 0,28 Ib, une réduction de 30% par rapport à une pièce de base en aluminium. Le bras oscillant mesure 900 mm de long /35.4 pouces et le poids de la pièce composite est d'environ 13 kg/29 lb. Le poids total de l'ensemble du bras oscillant avec tous les composants, bagues en bronze et axe de roue en acier, est d'environ 22 kg/48 lb, une réduction de 20% par rapport à la pièce d'origine en acier de 300 M en acier de ultra-haute résistance.

Des résultats positifs conduisent à davantage d’opportunités
Hekerman de SP explique que l'objectif du projet est de développer la technologie de conception et de fabrication et de tester une série de pièces de démonstration, donc aucun essais sur le terrain avec hélicoptère n’est actuellement prévu. Les résultats aujourd’hui sont si encourageants que SP pourrait bientôt demander à ses partenaires du NH90 à envisager de prendre le bras oscillant en qualification et en production en série complète. Jusqu'à présent, une série de bras de torsion a été testée mécaniquement et a satisfait les espérances.
Un sous-composant du bras oscillant, intégrant la section du milieu avec les blocs d’introduction de charge, a également été testé mécaniquement et les résultats ont été utilisés pour vérifier et optimiser l'analyse par éléments finis. La fabrication de plusieurs articles de démonstration est toujours en cours. Ceux-ci seront soumis à des essais statiques ainsi qu’à des forces ultimes (défaillance), avec et sans dommages d'impact. Dans la seconde phase du programme, davantage de bras oscillants seront fabriqués et soumis à des tests plus poussés, dont la fatigue et les épreuves de chute dynamique. Hekerman pense que le programme a réalisé des progrès techniques importants. Les partenaires ont réussi à automatiser la production de préformes avec succès et ont démontré une injection de résine de haute qualité pour de grandes pièces complexes destinées à l’aéronautique. En outre, ils ont atteint l'objectif plus spécifique de la fabrication de matériaux composites pour les composants de trains d'atterrissage, possédant une meilleure performance, avec un poids inférieur tout en maintenant les coûts égaux ou inférieurs aux produits homologues en métal. 

Parallèlement au programme du bras oscillant, SP et NLR, avec le soutien de la Royal Air Force des Pays-Bas, ont mis au point une contrefiche en carbone/époxy, un élément structurel pour le train d'atterrissage principal du F-16, en utilisant le procédé de moulage par transfert de résine (RTM). La partie a été testée, autorisée au vol et au début de 2001 elle a été installée sur un F-16 de la Royal Air Force des Pays-Bas et a depuis terminé avec succès un certain nombre d'essais de vol. Par ailleurs, SP vient de commencer un programme visant à développer un appareil similaire pour un avion civil, avec l'intention d'aller à la qualification complète pour la production en série.

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