Contribution to experimental and numerical analysis for conception of energy absorption devices made by additive manufacturing
Contribution à l'analyse expérimentale et numérique pour l'élaboration d'absorbeurs d'énergie obtenus par procédés de fabrication additive
Résumé
The profitability of civil transport helicopters is a key parameter that forces aircraft manufacturers to always push forward innovation and design optimization. Next generation of aircraft must be able to fly longer and have increased transport capacities. Weight reduction on in-flight equipment is a critical factor to achieve better performances in the future. The research work carried out during the PhD thesis was initiated by the aeronautical equipment manufacturer Zodiac Seats France, the French leader in the market of technical seats for civil helicopters. The desired objective of the company is the mid-term development of a passenger seat with a targeted mass reduction of 50% to current equipments. This improvement is only possible today with technological breakthrough. New processes, particularly in the field of additive manufacturing, allow nowadays the production of innovative structures with complex shapes. The choice of additive manufacturing technology EBM "Electron Beam Melting" is fixed. The research conducted here aims to ensure the safety of future seats in the event of a crash, thanks to the study of new technical solutions to allow optimal absorption of energy at impact. The works presented are organized in three parts. The first concerns the static and dynamic tensile characterization as well as the numerical modeling of titanium Ti-6Al-4V obtained by additive manufacturing EBM. For this purpose, an experimental protocol and an experimental plan have been defined. The second part aims to validate the material properties established by means of tests and simulations at the scale of complex structures in order to provide the designer with a numerical modeling tool allowing efficient dimensioning. Finally, the third part presents the strategy developed during the thesis to help in optimizing, through the numerical simulation, the future structures capable of absorbing a maximum of energy for a given geometrical space.
La rentabilité des hélicoptères de transport civil est un paramètre clé qui oblige les avionneurs à toujours repousser les limites en termes d’optimisation des structures. Les nouvelles générations d’appareils devront parcourir des distances plus longues et avoir des capacités de transport plus grandes. Le gain en masse sur les équipements à bord des appareils est donc un facteur déterminant pour atteindre les objectifs de performances accrues pour le futur. Les travaux de recherche menés durant la thèse sont à l’initiative de l’équipementier aéronautique Zodiac Seats France, leader français sur le marché des sièges techniques pour hélicoptères civils. L’objectif souhaité de l’entreprise est le développement à moyen terme d’un siège passager ayant un gain de masse ciblé à 50% des équipements actuels. Cette amélioration n’est aujourd’hui envisageable qu’à travers une rupture technologique avec les solutions déjà existantes. Les nouveaux procédés notamment en matière de fabrication additive permettent à ce jour d’envisager des réalisations de structures innovantes à forme complexe. Le choix de la technologie de fabrication additive EBM « Electron Beam Melting » est fixé.La Recherche menée ici, vise à assurer la sécurité des futurs sièges en cas de crash, grâce à l’étude de nouvelles solutions techniques pour permettre une absorption optimale d’énergie lors de l’impact. Les travaux présentés s’organisent en trois volets. Le premier concerne la caractérisation en traction statique et dynamique ainsi que la modélisation numérique du titane Ti–6Al–4V obtenu par fabrication additive EBM. Pour cela un protocole expérimental ainsi qu’un plan d’expérience ont été définis. Le second volet vise à valider les propriétés matériau établies par le biais d’essais et de simulations à l’échelle de structures complexes dans un objectif de fournir au concepteur un outil de modélisation numérique permettant un dimensionnement efficace. Enfin, le troisième volet présente la stratégie développée au cours de la thèse pour permettre à l’aide d’un outil d’optimisation la définition numérique de futures formes de structures capables d’absorber un maximum d’énergie dans un espace géométrique disponible.