Synthèse des travaux Validation d une structure de VSH par la modélisation et le calcul ISMANS Space Team En 2016, une nouvelle équipe rejoint le Défi Aérospatial Etudiant. L ISMANS Space Team et ses élèves ingénieurs en calcul de structure, Lucie Raffaitin, Jérôme Candelé, Florian Larzul, Simon Lanet et Baptiste DAVID, vous présente de manière synthétique leurs travaux sur le work package n 2, structure. La conquête de l espace débute le siècle dernier à des fins militaires. Aujourd hui, la recherche scientifique et les applications civiles justifient l envoi de matériels et d hommes dans l espace. Récemment, un nouveau marché apparaît, le tourisme spatial. Depuis 2000, des compagnies privées travaillent sur la conception d un Véhicule Suborbital Habité (VSH) capable de transporter des civils vers la stratosphère à Mach 3.5 et sous facteur de charge maximal de 5G. En 2016, la demande justifie l offre, avec la précommande de 650 billets coûtants chacun 250 000 dollars (environ 226 000 euros), pour la seule compagnie Virgin Galactic. Dans ce contexte, il existe un besoin industriel en ingénieurs mécaniciens et ingénieurs calcul. L ISMANS Space Team et ses membres se demandent «comment valider la structure d un VSH par la modélisation et le calcul?». Pour répondre à cette question, l étude s organise en deux parties. Dans un premier temps sont définies les hypothèses relatives aux phases de conception et de calcul, au travers de la modélisation CAO et la modélisation élément finis. Ensuite, sont présentés les résultats issus des analyses statiques et modales du VSH. Finalement, la réponse à la problématique évoquée est donnée ainsi que des perspectives.
Tout d abord, pour réaliser une simulation numérique nous avons besoin d un modèle numérique. C est pourquoi, basé sur les exemples de structures données au début du projet, nous modélisons une aérostructure semi-monocoque via des outils de CAO, assez similaire au profil du VSH Dassault. La conception semi-monocoque consiste en l assemblage d ensembles structuraux par collage, poinçonnage ou rivetage, donnant la forme, la résistance et la rigidité à la structure. Le VSH est fait de poutres, du fuselage contenant des cadres et des lisses à la voilure contenant des longerons et des nervures. Finalement, un revêtement, transmet partiellement contraintes et déplacement à la structure interne. Dorénavant, il s agit de créer le modèle de calcul. Dans un premier temps, il faut choisir les matériaux constituants la structure. Une veille sur les matériaux et les projets historiques en lien avec l aéronautique et l espace, permet de choisir quels matériaux correspond le mieux pour les éléments structuraux du VSH. Dans le but de perdre de la masse, l alliage d Aluminium 7075-T6 constitue le revêtement du VSH ainsi que les cadres. Les parties sensibles sont renforcées par un alliage de Titane TA6V, comme le nez, la partie inférieure du fuselage et les bords d attaques. En effet, il sert de protection thermique, perdant au plus 40% de ses propriétés mécaniques à 300 C.
Pour la simulation numérique, nous définissons quel type d éléments utilisé dans le modèle. Notre structure est fine ainsi nous utilisons des éléments de coque pour le revêtement, les cadres et les nervures. Les longerons et les lisses sont modélisés par des éléments de poutre. Dans le but d inclure les équipements de bord du VSH, nous ajoutons des éléments de corps rigides (appelés RBE). Finalement, la qualité des résultats dépend de la qualité du maillage. Par conséquent, un soin est porté sur la présence d un maximum d éléments quadrangulaires. Comment la structure est-elle chargée? Quatre éléments nous intéressent : le moteur, la cabine, la voilure et le fuselage. Nous considérons des charges nodales, appliquées aux nœuds maitres des RBE, que sont le poids et la poussée du moteur ainsi que le poids des sièges et des passagers. Ensuite nous modélisons des charges surfaciques, que sont la portance et la trainée sur les ailes. Egalement, nous considérons des pressions, comme celles utilisées dans le cadre de la pressurisation, mais aussi la pression externe totale exercée à 15 km d altitude. Finalement, les résultantes des forces précédentes s ajoutent aux accélérations de la structure, distinctes celons les cas. Enfin, trois cas de charges sont modélisés. Un premier cas où la structure est en vol stabilisé (vitesse et altitude constante) à 1G. Un second où la structure est en accélération longitudinale de 5G, lors de sa prise de vitesse. Enfin, un troisième cas est modélisé, où l accélération est centrifuge et vaut 5G, correspondant à une ressource de l appareil.
A présent, une analyse statique est lancée et les résultats relatifs aux déplacements et aux contraintes de la structure sont donnés. Le déplacement maximal est de 140 mm et localisé au niveau du plancher de la cabine. En comparant cette valeur aux dimensions globale du VSH (soit plus de 10 mètres), on constate que le champ de déplacement est 1000 fois inférieur. Par conséquent, la linéarité géométrique est respectée. Il existe des contraintes mécaniques au sein de l aile. Néanmoins, c est au plancher que les variations de contraintes sont significatives. Notons l explosion numérique de la contrainte, localement en chaque point de fixation des sièges, modélisés par des RBE. Elle est purement numérique et ne doit pas être prise en compte. Par conséquent, la linéarité matérielle est respectée. Egalement, une analyse modale, permettant de déterminer les fréquences propres de la structure, est lancée, en utilisant l algorithme de Lanczos et le Sparse solver. Le premier mode de vibration est atteint à 13,9 Hz et les winglets entrent en résonance. Durant le second mode, le plancher entre en résonance.
Alors, comment valider la structure d un VSH par la modélisation et le calcul? Tout d abord, nous créons un modèle CAO, constituant la phase de conception. Ensuite, nous adaptons ce modèle avec des simplifications et des hypothèses pour le calcul. On parle alors de liaison CAO calcul. Egalement, nous créons le modèle éléments finis avec le choix des éléments, les propriétés physiques et matérielles, la définition des cas de charge et des conditions aux limites, le choix des algorithmes de calcul, etc. Nous concluons que, selon le modèle utilisé, le comportement mécanique de la structure dans le domaine linéaire et respecté, et son intégrité est confirmée. Néanmoins, il existe des possibilités d amélioration de la qualité du modèle de calcul. En effet, la considération des matériaux composites, l effet aérodynamique sur le champ de pression et de température extérieur s exerçant sur la structure devrait être introduit dans le modèle, dans le domaine non linéaire. Pour conclure, merci à l organisation du Défi Aérospatial Etudiant pour l opportunité qui nous est donnée de produire une telle étude sur un sujet qui nous passionne. Egalement, merci à la direction de l ISMANS et ses professeurs pour le temps, l aide et la confiance accordée tout au long du projet.