Efforts et contraintes appliqués sur la structure et principaux matériaux de construction

Lors de ses évolutions dans l’air un avion subit des forces aérodynamiques et supporte les effets des accélérations engendrées par les changements de trajectoire. Les contraintes appliquées aux pièces mécaniques constituant l’avion expliquent que leur durée de vie n’est pas illimitée. Le cas général est que l’on n’attend pas qu’une pièce casse pour la changer. Ce principe élémentaire de sécurité est une des raisons essentielles pour lesquelles l’avion est le moyen de transport le plus sûr. Malgré les précautions prises, de rares accidents sont encore dus à des casses mécaniques.

Exemple d’une rupture de pièce par fatigue

Le le 13 novembre 2014 un ULM se crashe après la rupture d’une attache de hauban. Un hauban est une barre de traction servant à maintenir la position de l’aile. Le rapport du BEA nous éclaire sur l’origine du problème.

« …L’examen de l’attache haute du hauban avant de l’aile droite a mis en évidence une rupture en fatigue. Les examens fractographiques pratiqués sur le profil de la tige rompue ont confirmé qu’il n’y avait pas eu de pré-endommagement.

Les trois autres haubans ont été prélevés pour effectuer des examens comparatifs. Ceux-ci ont mis en évidence des déformations en flexion et des fissurations en fond de filet pour les tiges des haubans arrière de l’aile droite et avant de l’aile gauche.
Le 16 avril 2015, un ULM du même type a été accidenté. Bien que la tenue mécanique des attaches des haubans n’ait pas contribué à cet événement, celles-ci ont été prélevées pour effectuer des examens comparatifs. Ces derniers ont mis en évidence des fissures en fond de filets antérieures à l’accident sur deux des quatre tiges filetées de fixation… »

Extrait de rapport d’accident

Extrait rapport d’accident BEA 2-ft141113
Positionnement des attaches de hauban (source Eurofly)

La fatigue d’un matériau est le fait qu’il perde progressivement de ses qualités de résistance, à force d’être soumis à des contraintes répétées. Au delà d’un certain temps d’utilisation, des microfissures apparaissent. C’est pour cela que, généralement les pièces aéronautiques doivent être changées bien avant d’avoir atteint un niveau de fatigue excessive. Dans ce domaine, la responsabilité et souvent la réalisation de la mécanique dans le monde de l’ULM est particulière puisqu’il n’est pas obligé de recourir à des mécaniciens agrémentés.

En conduisant méthodiquement les visites prévol le propriétaire d’une machine qui possède de nombreuses heures de vol, peut envisager de repérer des signes de fatigue sur des zones sensibles de l’aéronef comme les attaches de hauban.

Dans le cas de notre ULM, la mécanique était réalisée par un professionnel et les visites pré-vols réalisées systématiquement n’ont pas permis de repérer les signes de la rupture. Il s’agit donc d’un défaut de conception.

Différents types de contraintes

Direction des efforts appliqués à une aile

Les différentes parties de la structure et notamment les ailes sont soumises à des contraintes variées :

  • la traction tend à étirer le matériau,
  • la compression tend à écraser le matériau,
  • la flexion tend à tordre le matériau. Elle est généralement associée à une ,compression et une traction
  • la torsion tend à le vriller.
Effort de cisaillement sur un rivet

Les rivets servant à assembler deux matériaux subissent des contraintes de cisaillement

La structure (squelette de l’avion), aussi bien que les revêtements (peau de l’avion) subissent des contraintes de ce type. 

Matériaux : résistance et légèreté

Les matériaux participant à la solidité et à la rigidité de l’avion sont choisis en fonction des contraintes qu’ils vont subir en vol, de leur légèreté et de leur coût. Il est courant que les matériaux retenus ne soient pas les mêmes pour le fuselage et la voilure, par exemple. 

Historiquement le premier matériau de construction utilisé en aéronautique fut le bois. Il est à la fois souple et résistant et des espèces telles que l’épicéa, l’acajou, le frêne ou le sapin permettent de construire des structures à la fois solides et légères.  

Le bois est utilisé sous forme de bois plein pour la structure ou de contre-plaqué pour le revêtement. Ce dernier peut également être en toile tendue (lin, coton, dacron). 

Mais les structures en bois nécessitent un entretien régulier et sont sensibles aux conditions météorologiques. De plus l’entoilage demande à être régulièrement refait. 

Les alliages métalliques sont eux aussi beaucoup utilisés pour leurs qualités de résistance mécanique et constituent pour une bonne part la structure des avions modernes. Les alliages d’aluminium par exemple, offrent une bonne résistance pour un poids relativement modeste. 

Polycarpov I-16 et Messerschmidt BF-109

Durant la guerre d’Espagne (1936-1939), les républicains disposent d’avions de conception russe dont le fuselage est en bois et toile. L’avion est léger et agile mais il ne peut embarquer de moteur suffisamment puissant pour prendre de l’altitude.  Le BF-109 Allemand de conception plus moderne en alliage d’aluminium peut résister à des accélérations plus importantes et embarque un moteur plus imposant. Sa capacité à monter haut en altitude lui donnera l’avantage. 

Un matériau composite est une association par liaison forte de deux matériaux non miscibles et de natures différentes. 

Les progrès effectués sur les composites à base de fibres de carbone et de polymères ont permis la mise au point de matériaux très légers qui présentent la particularité d’être assez souples (donc déformables) tout en supportant de grosses contraintes sans rompre ni se déformer.  

Autre avantage : les matériaux composites peuvent prendre n’importe quelle forme.   On peut ainsi créer des formes très complexes ce qui est inenvisageable avec une structure métallique ou en bois.

Le principe de fabrication des pièces en composite consiste à réaliser un moule dans lequel on creuse la forme de la pièce. L’intérieur est alors recouvert d’une trame sur laquelle le polymère va se déposer et se fixer pour donner la pièce finale. 

En règle générale, sur les avions modernes la construction fait appel au duralumin pour l’ossature de l’avion et à des alliages légers ou des matériaux composites pour le revêtement. 

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Approfondissements : Ingénierie et recherche

Le trou fait dans une structure inquiète l’ingénieur soucieux de la résistance de sa structure mais intéresse le chercheur qui voit dans les trous un objet de recherche et d’investigation.

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