Simulation numérique de la formation des défauts dans la région des inserts de panneaux sandwich

Les panneaux sandwich à coeur en nid d'abeille sont utilisés dans les avions d'affaires pour leur bon rapport rigidité/masse. Ces panneaux sont recouverts d'un placage de bois, puis posés comme comptoirs, tables, cabinets et cloisons de toutes sortes. Pour assembler ces panneaux, des inserts borgnes sont fixés dans une cavité préalablement percée au coeur du panneau. Un adhésif époxyde est utilisé pour coller l'insert et transférer la charge mécanique entre le point d'attache et le panneau. La polymérisation de la résine époxyde est accompagnée d'un retrait chimique qui occasionne des déformations résiduelles sur la surface visible du panneau. Ces défauts ternissent le cachet luxueux de la cabine des avions d'affaires et occasionnent des réparations onéreuses. La problématique de cette recherche a dans un premier lieu été abordée d'un point de vue expérimental par une évaluation des méthodes de fabrication, la caractérisation des matériaux et l'étude d'une variété de configurations de panneaux et d'inserts. En se basant sur ces travaux et en s'inspirant des recherches sur les contraintes résiduelles, un modèle numérique de la formation des défauts a été créé dans le cadre de ce mémoire. Ce modèle prend en compte les phénomènes thermiques, chimiques et mécaniques de la résine et du panneau composite. Le modèle a été paramétré et peut générer différentes géométries et conditions de simulations. Les configurations étudiées expérimentalement ont été simulées et ont permis de confirmer l'effet positif d'inserts plus long sur la gravité des défauts. Laisser une épaisseur de nid d'abeille au fond de la cavité a également permis de rigidifier la peau, mais gêne le remplissage complet de la cavité. Le remplissage partiel a aussi permis de diminuer la gravité des défauts en éliminant le contact direct de la résine avec la surface affectée. Les observations expérimentales proviennent d'une méthode de déflectométrie dans laquelle les courbures de la surface du panneau ont été relevées. Les résultats du modèle numérique ont fidèlement reproduit les observations expérimentales. Cependant, ces dernières sont de nature qualitative. En conséquence, une méthode de profilométrie a été utilisée pour quantifier quelques défauts. Une correspondance semi-quantitative a pu être établie entre ces relevés topographiques de la surface et les simulations. La forme des défauts était similaire, toutefois le modèle numérique en surestimait l'envergure. La sensibilité du modèle du retrait chimique et de la rigidification de la résine pourrait être en cause. Finalement, des configurations et des méthodes originales ont été simulées.

Abstract

Sandwich panels with honeycomb core are widely used in business jet for their good stiffness to weight ratio. Those panels are covered with a thin wood veneer and are installed to serve as counters, tables, furniture and dividers of any types. To assemble the panels, blind inserts are fixed in a hole drilled beforehand in the core of the panel. An epoxy adhesive is used to glue the insert and transfer the mechanical load between the fastener and the panel. The curing of the epoxy resin induces chemical shrinkage, leading to residual deformations on the visible side of the panel. These defects tarnish the luxurious cachet of the interior of the business aircraft and cause expensive repairs. First, the problem was addressed with an experimental approach by evaluating the manufacturing methods, the material characteristic and by studying the response of a variety of configurations. Based on this work, and inspired by residual stress literature, a numerical model of the defect formation was developed. The model takes into account thermal, chemical and mechanical aspects, based mainly on resin properties. The model is parametric and can generate many different geometry and simulation conditions. Configurations studied experimentally were simulated and confirmed the positive effect of longer inserts on the defect appearance. Leaving part of the honeycomb at the bottom of the cavity also allowed the stiffening of the skin, yet it dampers the full filling of the cavity. Partial filling also decreased the defect severity by eliminating the direct contact between the resin and the surface of interest. Experimental observations came from a deflectometry method by which local curvatures of the surface were obtained. Results from the numerical model reproduced accurately the experimental trends. However, this type of experimental data was mainly qualitative. Consequently, a profilometer method was used to quantify the defects. A semi-quantitative match was established between surface topography and simulations. Defect shape were similar, however the numerical model overestimated the magnitude. The sensitivity of the chemical shrinkage and stiffening model could be involved. Finally, new configurations and original methods were simulated. The principal solution investigated here was the sequential curing of the resin in order to redirect the effects of cure shrinkage towards the hidden side of the panel. To do so, increasing heating on the visible side locally accelerated the chemical reaction. The other simulation was a two stage filling of the cavity, to allow the bottom to cure independently.