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Les sollicitations de la cellule

Phraséologie Anglaise

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Les différents éléments de la cellule d'un avion, spécialement les ailes, sont soumis à des sollicitations de flexion, torsion, traction, compression et cisaillement. Ces sollicitations induisent, dans les différentes sections de ces éléments des contraintes de trois types, à savoir des contraintes de traction, de compression ou de cisaillement, dont la valeur ne peut dépasser certaines limites admises par le constructeur. Les contraintes admissibles sont déterminées, avec un coefficient de sécurité convenable, à partir de la résistance des matériaux utilisés et plus précisément de leur limite d'élasticité et de leur résistance à la fatigue. Tous les éléments sont dimensionnés de telle manière qu'ils se comportent élastiquement, c'est-à-dire qu'ils se déforment sous l'effet d'une sollicitation mais reprennent leur forme initiale lorsque cesse la sollicitation.

Limite d'élasticité et résistance statique des matériaux.

Si l'on soumet, par exemple, un barreau métallique de section (s) à un effort de traction (T), on peut tracer un diagramme de la déformation du barreau, exprimée en % de sa longueur initiale, en fonction de la contrainte appliquée ( = T / s), exprimée en Newton / mm2. La fig. 1.21 schématise un tel diagramme. Dans la phase 0A du chargement, le diagramme est une droite (la déformation est proportionnelle à la contrainte appliquée). La contrainte e correspondant au point A est appelée "limite d'élasticité ou de proportionnalité.

Tant que le matériau n'est pas sollicité au-delà de cette limite, il reprend sa longueur initiale lorsqu'il est déchargé ; le matériau se comporte élastiquement. Si la contrainte dépasse cette limite, la déformation n'est plus proportionnelle à la contrainte ; le matériau s'allonge considérablement (phase des grands allongements). Si le barreau est déchargé après avoir atteint un point B du diagramme, on constate que le diagramme de déchargement (BC) est une droite parallèle à la droite OA mais qu'il ne reprend plus sa longueur initiale. Il conserve, après déchargement, une déformation permanente (OC). Le métal a été plastifié ou écroui.

La rupture du barreau se produit lorsqu'on atteint une contrainte r, appelée contrainte de rupture ou résistance du matériau.

Il faut donc que le constructeur limite la contrainte dans tous les éléments de la structure à une valeur maximale admissible (a) inférieure à la limite d'élasticité, fixée en divisant celle-ci par un coefficient de sécurité, par exemple 1,5. (a = e /1,5).

Résistance à la fatigue (endurance)

La limite d'élasticité n'est pas le seul élément dont il faut tenir compte dans le dimensionnement des éléments de la structure. On sait en effet qu'un matériau métallique peut atteindre la rupture sous l'action répétée de sollicitations correspondant à des contraintes bien inférieures à sa limite d'élasticité. Le diagramme de la figure 1.22 donne, en fonction de la contrainte répétée, le nombre de cycles de "chargement - déchargement" amenant la rupture du matériau. On constate que le nombre de cycles amenant la rupture est d'autant plus faible que la contrainte répétée est élevée. La courbe de résistance à la fatigue est asymptotique à l'axe des abscisses. Autrement dit, pour obtenir une durée de vie illimitée du matériau, la contrainte répétée devrait être limitée à une valeur extrêmement faible, appelée "limite d'endurance", ce qui conduirait à des structures extrêmement lourdes. Le constructeur doit donc se baser sur une durée de vie et un nombre (N) de cycles de mise en charge pour fixer une limite de fatigue (f) admissible correspondant aux sollicitations maximales en service.

Ceci montre la nécessité des contrôles périodiques et des révisions générales de la cellule. En Belgique, la réglementation impose un certain nombre d'inspections périodiques des avions légers (après 50 heures et 100 heures de vol + 1 inspection annuelle quel que soit le nombre d'heures de vol). Une révision générale est prévue après 6000 heures de vol.

Le manuel de vol et le certificat de navigabilité de tout avion indiquent un certain nombre de limitations imposées par la résistance de la cellule (fuselage, voilure, train d'atterrissage). Ces limitations concernent notamment :

  • les charges maximales admissibles dans chaque compartiment de la cellule (sièges avants, sièges arrières, bagages, cargo pack ...voir chapitre 6)
  • le poids maximum au décollage (MTOW = Maximum Take-Off Weight)
  • le poids maximum à l'atterrissage (MLW = Maximum Landing Weight) qui, pour certains types d'avions, doit nécessairement être inférieur au MTOW en raison de la limitation des charges statiques et dynamiques sur le train d'atterrissage (le train principal est calculé pour résister à l'impact de l'avion à l'atterrissage correspondant à une vitesse verticale de 600 ft/min).
  • les vitesses (voir chapitres 3 et 21)
  • le facteur de charge (voir chapitres 19 et 21)

Quelques précautions à prendre pour limiter les sollicitations sur les éléments de la cellule

Outre le respect de toutes les limitations imposées par le constructeur, le pilote devra prendre un certain nombre de précautions destinées à limiter les sollicitations des éléments de la cellule :

  • au parking : placer l'avion face au vent et bloquer les roues avec des cales. S'il doit y séjourner un certain temps, avec possibilité de vents forts et de rafales, arrimer l'avion aux points d'ancrage prévus. Bloquer les commandes (stick ou volant et palonnier) à l'aide des dispositifs prévus (control lock) de manière à empêcher le battement des gouvernes (ailerons, gouvernes de direction et de profondeur) sous l'effet du vent ou du souffle de l'hélice ou des réacteurs d'autres avions.
  • avant le départ : au cours de l'inspection prévol, vérifier le bon état de tous les éléments visibles de la cellule (absence de déformations permanentes et de fissures du revêtement, pas de rivets éclatés ou cisaillés, débattement normal des gouvernes, des amortisseurs ...)
  • au roulage : éviter les "coups de freins" brutaux et répétés pour limiter les efforts sur le train et les pneus. Eviter les virages serrés et trop rapides qui exigent un freinage excessif sur une seule roue, ce qui provoque une usure anormale des pneus et/ou des efforts transversaux exagérés sur le train.
  • en vol : éviter les manoeuvres brutales aux commandes (les virages à forte inclinaison et les ressources brutales peuvent augmenter exagérément les sollicitations, avec comme conséquences des déformations permanentes ou la rupture de certains éléments de la cellule).
  • à l'atterrissage : veiller à ne pas se poser de façon brutale et surtout pas sur la roue de nez ! Même si le train principal est dimensionné pour supporter le choc d'un impact correspondant à une vitesse verticale de 600 ft/min, tous les éléments de la cellule (assemblages, fixations du moteur etc. ) voient leur durée de vie diminuer en cas d'atterrissage brutal.