mais parfois on peut avoir d'excellentes surprises qui viennent casser cette routine.
Dans ce sujet la surprise en question:
Cours de préorientation 1A : De la Matière aux Matériaux
Examen mai 2010
Durée : 2h
Tous documents autorisés ( polys, notes de cours, notes de BE, livres, …etc)
Barême : I=2+2+2+2 ; II=2+2+2+2+2 ; III=2+2+2+2, Total 26 points
Thème : Quelques aspects « matériaux » dans l’aéronautique
Le secteur aéronautique est très compétitif du point de vue des matériaux. On peut distinguer cinq grandes familles de composants :
- les pièces de structure du corps de l’avion ( fuselage, ailes, dérive, longerons, etc …)
- les pièces de motorisation ( réacteurs, bras d’amarrage à l’avion, etc …)
- les équipements externes ( train d’atterrissage, pneumatiques )
- les équipements internes ( électronique, transmissions, etc…)
- l’habillage interne ( sièges, stockage des bagages, équipements de restauration, …)
On se propose dans ce problème d’examiner quelques aspects « matériaux » de la réalisation d’un avion. Le problème est divisé en trois grandes parties, correspondant à trois grands métiers de l’ingénieur :
- une section « Stratégie » vous invite à réfléchir aux choix entre les différentes options « matériaux » pour différents composants, et aux raisons techniques et économiques de ces choix stratégiques
-
- une section « Science » qui vous amènera à examiner divers aspects scientifiques nécessaires pour améliorer les matériaux
-
- une section « Ingénierie » qui vous conduira à réfléchir du passage de l’amélioration scientifique à sa mise en œuvre dans un avion commercial.
Ce problème comprend très peu de calculs, et s’appuie sur ce que vous avez vu en cours et en BE. Répondez aux questions de façon claire et synthétique dans les espaces prévus à cet effet.
I. Stratégies
1. On a constaté une forte évolution des solutions matériaux à partir de 1973 ( choc pétrolier), en particulier pour les structures. On a vu par exemple se développer des alliages d’aluminium contenant du Lithium, et les matériaux composites à matrice polymère à renforts de fibre de carbone. Quelle est à votre avis la force motrice principale de cette évolution ? Pourquoi cette évolution a-t-elle été plus sensible dans l’aéronautique militaire que dans l’aéronautique civile ?
2. Dans le même temps on a vu augmenter la température de fonctionnement des réacteurs. Pour quelle raison thermodynamique est-il utile d’augmenter la température de fonctionnement ? Des grandes classes de matériaux ( métaux, polymères, céramiques et composites) , seuls les métaux ont véritablement trouvé leur place alors que le moteur « tout céramique » étudié dans les années 80 n’a pas abouti. Quelles étaient les raisons d’essayer cette voie, et quelle est la raison principale de l’échec des céramiques ? Comment peut-on avoir une température de fonctionnement d’un moteur supérieure à la température maximale d’utilisation des matériaux métalliques qui le constituent ?
3. Pour les systèmes de transmission internes, on a actuellement des transferts mécaniques et hydrauliques. On souhaite passer à une transmission totalement électrique. Pour quelles raisons ? Qu’est-ce qui rend possible la miniaturisation des moteurs ? Quels matériaux choisiriez-vous pour les fils électriques, et en particulier entre le cuivre et l’aluminium ?
4. Les équipements internes des avions ( sièges, coussins, équipements de restauration) sont du ressort des compagnies aériennes. Voyez-vous des possibilités d’allègement de ces équipements ? Si oui donnez un rapide argumentaire, et une estimation des gains possibles pour un avion de 500 places.
II. Science
Les composants de structure sont en alliages d’aluminium ou en composites à matrice polymère ( epoxy) et à renfort de fibre ( de carbone ou de fibre de verre ou de fibre aramide). On va se focaliser ici sur une solution « alliage d’aluminium ».
1. Le lingot d’alliage issu de la solidification est laminé à chaud pour réduire rapidement son épaisseur, puis il est recuit à haute température, en dessous de la température de fusion des eutectiques et au dessus de la température de solution des phases. Expliquez la raison de ce traitement thermique et du choix de la température. Si L est la taille caractéristique des structures de solidification et D le coefficient de diffusion des éléments d’alliage à la température de recuit, donnez une estimation de la durée nécessaire du recuit. Plus la température du four est élevée, plus le coût horaire de chauffage est fort. A l’aide de l’estimation de la durée ci-dessus, discutez de l’avantage d’augmenter la température du four en fonction des températures de mise en solution, de brûlure des eutectiques et de l’énergie d’activation de la diffusion.
2. Le lingot ramené à des épaisseurs « maniables » est alors laminé à froid et est donc très fortement déformé. Il apparaît comme beaucoup plus dur après laminage, et sa limite d’élasticité est beaucoup plus élevée, sans que son module d’élasticité ait notablement changé. Expliquez la raison physique de ce phénomène.
3. Il est ensuite recuit à une température intermédiaire au dessus des températures de précipitation. On a alors un phénomène de recristallisation : des grains vierges de dislocation grandissent au sein d’un ensemble de grains très déformés. Les germes sont en nombre fixés et apparaissent à la position de particules intermétalliques préexistantes dans l’alliage. Ils croissent à vitesse constante et sont approximativement sphériques. Ecrivez une équation donnant la fraction recristallisée en fonction du temps. Discutez de la validité de ce modèle. Expliquez comment un modèle d’automate cellulaire pourrait être développé pour décrire ce phénomène.
4. En fait la recristallisation n’est pas totale et la plaque laminée et recuite contient des grains recristallisés « mous » et des grains déformés « durs ». Comment caractériseriez-vous cet état, et quelles informations les outils d’analyse d’image pourraient vous apporter ? On veut la laminer à chaud à nouveau dans cet état. Expliquer quels modèles vous utiliseriez pour prédire les efforts à fournir au cours du nouveau laminage ?
5. En fin de laminage on va effectuer un traitement thermique de précipitation. Il consiste en une trempe suivi par un recuit. Quelle est la fonction de la trempe ? A quelle température doit-on faire le recuit ? Quelle doit être la durée du recuit ? On discutera ces différents aspects en invoquant les forces motrices de précipitation, la dépendance des coefficients de diffusion en fonction de la température, la forme des courbes TTT, le mode de franchissement des obstacles par les dislocations, et l’évolution de la taille des précipités en fonction de la durée du traitement thermique. On ne demande pas de calculs compliqués, mais une explication de la physique des phénomènes rencontrés, avec des illustrations explicatives sous forme de schémas. Quels types de simulations numériques seraient bien adaptés pour ce type de problèmes ?
III. Ingénierie
1. Il est relativement rare mais néanmoins possible qu’un avion soit frappé par la foudre. Pour la sécurité des passagers, il est nécessaire que l’avion fasse « cage de Faraday », c'est-à-dire soit conducteur de l’électricité et que le champ à l’intérieur soit négligeable. Discuter dans cette optique les avantages respectifs des solutions métalliques et composites. Quelles propositions auriez-vous pour améliorer la situation pour les composites ?
2. Une pièce de fuselage d’avion métallique est formée de plaques et de pièces en T rapportées à la plaque. Quelle est la fonction des pièces rapportées pour une plaque sollicitée en flexion ? Quelle géométrie proposeriez-vous pour raidir un composant en sollicitation en flexion suivant deux directions ? Par quel procédé obtenir une plaque à partir d’un lingot ? Comment obtenir une poutre en T à partir d’une barre ? Discuter deux options technologiques possibles : usiner la forme en T dans une plaque épaisse, ou assembler une poutre en T sur une plaque mince. On se posera en particulier la question du mode éventuel d’assemblage, et on réfléchira à ce qui peut se passer, à la lumière de la question II.5 pour un alliage à précipitation au cours du soudage.
3. La coexistence entre des composites à fibre de carbone et des alliages d’aluminium pose un problème de corrosion galvanique de l’aluminium par le carbone. Quelles solutions technologiques proposez-vous ?
4. Dans les moteurs, les parties chaudes, et en particulier les aubes de turbines, doivent être refroidies par des circulations d’air , et revêtues par des couches qui jouent le double rôle de barrière thermique et de protection contre l’oxydation. Le cours vous a expliqué la réalisation de ces protections. Discutez leurs modes d’endommagement possible, les moyens de les contrôler, les possibilités de réparation ou de remplacement, les aspects démontabilité et nettoyage.
Alors foromeurs vous allez me le remplir ce P**** de contrôle de m** ****
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et le premier que fait une faute corvée de patate
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Ps: le prof semble intéressé par votre avis sur ces questions.