Tout un impact

Contour de propagation des vagues de stress sur un instrument optique à bord du vaisseau spatial CASSIOPE

Beaucoup d'événements sont transitoires : ils surviennent rapidement, puis disparaissent. C'est le cas avec les impacts. L'industrie du transport terrestre a étudié les impacts et il existe des résultats de travaux de recherche sur les aéronefs qui « plongent » dans l'eau, mais les modèles utilisés sont souvent simplifiés et ne reflètent pas adéquatement la complexité d'une structure. CNRC Aérospatiale est en tête du peloton en ayant recours à l'analyse dynamique transitoire pour créer des modèles d'impacts de très courte durée. Non seulement cette nouvelle capacité de modélisation tient-elle compte des éléments complexes qui existent dans le monde réel, incluant les propriétés du matériel et l'interface entre les objets qui entrent en collision, mais elle pourrait aussi permettre de réduire les coûts et d'améliorer la sécurité par l'optimisation de la conception et la réduction du nombre d'essais réels requis. 

CNRC Aérospatiale a mis au point cette expertise en 1999 dans le cadre d'un projet avec Transports Canada sur les petits aéronefs qui frappent accidentellement les tours lumineuses d'approche aux aéroports. On avait besoin de paramètres essentiels pour un manuel sur la conception des tours lumineuses d'approche aux aéroports où on indiquerait la force requise par un aéronef pour déplacer une tour au cours d'un incident, et atterrir ensuite en toute sécurité. 

Le Dr Manouchehr Nejad Ensan et le Dr David Zimcik, experts en dynamique structurelle à CNRC Aérospatiale, ont procédé à 44 essais expérimentaux sur les impacts sur les tours en utilisant des éprouvettes d'ailes montées sur un camion se déplaçant à 140 km/h et ils ont enregistré la déformation de la tour et la charge résistive. Ces essais ont été suivis d'analyses. « Nous avons élaboré un modèle d'impacts à l'aide du logiciel LS-DYNA utilisé en corrélation avec les données expérimentales. Les résultats de la simulation ont bien concordé avec les données expérimentales, » a expliqué le Dr Nejad.

On a ensuite eu recours à cette nouvelle capacité en 2003 pour créer un modèle d'oiseau frappant un aéronef approchant un aéroport lors d'un projet mené en collaboration avec le National Science Council de Taïwan. « Dans ce cas, la modélisation matérielle de l'oiseau est cruciale parce qu'il renferme à la fois des éléments solides et des éléments liquides et qu'il frappe l'aéronef à une très grande vitesse. L'interface entre l'oiseau et la structure de l'aile était aussi un élément très important à cause des grandes déformations qui surviennent. Nous avons pu vérifier le modèle, après l'avoir construit, à l'aide des données sur le canon à poulets qu'on possédait déjà au CNRC », a dit le Dr Zimcik. Le projet est maintenant élargi pour inclure les impacts d'oiseaux avec de grosses éoliennes génératrices d'électricité près d'étendues d'eau.

En 2005, CNRC Aérospatiale a poussé ses capacités plus loin en faisant des études sur le CASSIOPE, un petit satellite canadien dont le lancement est prévu pour 2007. La charge utile du satellite comprend du matériel optique délicat et on craignait que ce matériel ne puisse résister aux chocs opérationnels lors du lancement. « L'analyse initiale à l'aide de techniques existantes a prédit que plusieurs des instruments se briseraient à cause des chocs subis au cours du lancement. Cette analyse supposait que les charges d'impact étaient appliquées de manière continue, et on sait qu'une charge appliquée pendant une période de temps plus prolongée entraîne une plus grande déformation qu'une charge d'impact de courte durée. Grâce à notre approche transitoire, nous avons pu montrer que la marge de sécurité était positive, et que les instruments survivraient », a expliqué le Dr Zimcik. La prochaine étape est la vérification du modèle par un essai de choc sur le prototype.

Ce qui rend cette capacité unique, c'est l'éventail de ses applications. Elle peut s'appliquer aux impacts et aux chocs sur terre, dans les airs et dans l'espace. Elle pourrait permettre d'améliorer la conception des aéronefs et des véhicules spatiaux ainsi que la résistance des moteurs d'aéronefs face à l'ingestion de débris se trouvant sur les pistes ou d'autres objets étrangers.

« Les charges dynamiques transitoires sont une réalité, et la sécurité lors des écrasements nous préoccupe de plus en plus. Les avions frappent des tours. C'est ce qui nous a motivés. Nous voulions comprendre le phénomène pour pourvoir concevoir une tour plus sécuritaire. Les essais dynamiques coûtent cher et sont dangereux. Ils sont difficiles à exécuter parce qu'il faut vérifier tellement de paramètres. Les outils analytiques que nous élaborons présentement nous permettent de devenir plus proactifs, de tenir compte de nos constatations lors de la conception, au lieu de le faire après coup. Ainsi, moins d'essais sont requis. Ces outils nous permettent non seulement d'économiser de l'argent, mais aussi d'améliorer la sécurité », a déclaré le Dr David Zimcik.