14.2 Conception contre la fatigue

Diverses précautions peuvent être prises pour s’assurer qu’un aéronef a une durée de vie en fatigue adéquate. Nous avons vu, au chapitre 10, que les premiers alliages aluminium-zinc possédaient des contraintes ultimes et des contraintes d’épreuve élevées, mais qu’ils étaient susceptibles de se rompre précocement sous l’effet de la fatigue ; le choix des matériaux est donc important. Les alliages aluminium-cuivre vieillis naturellement possèdent une bonne résistance à la fatigue mais des résistances statiques plus faibles. La recherche moderne se concentre sur les alliages qui combinent une résistance élevée avec une résistance élevée à la fatigue.

L’attention portée à la conception des détails est également importante. Des concentrations de contraintes peuvent apparaître au niveau des angles aigus et des changements brusques de section. Il convient donc de prévoir des filets aux angles rentrants et de renforcer les découpes, telles que les fenêtres et les panneaux d’accès. Dans les panneaux usinés, l’épaisseur du matériau doit être augmentée autour des trous de boulons, tandis que les trous des assemblages boulonnés primaires doivent être alésés pour améliorer la finition de la surface ; les rayures de surface et les marques d’usinage sont des sources d’initiation de fissures de fatigue. Les joggings dans les éléments fortement sollicités doivent être évités, tandis que l’asymétrie peut causer des contraintes supplémentaires dues à la flexion.

En plus d’une conception structurelle et de détail saine, une estimation du nombre, de la fréquence et de l’ampleur des charges fluctuantes qu’un avion rencontre est nécessaire. Le spectre des charges de fatigue commence lorsque l’avion roule au sol jusqu’à sa position de décollage. Pendant le roulage, l’avion peut être amené à manœuvrer sur un sol irrégulier avec une charge utile complète, de sorte que les contraintes sur les ailes, par exemple, sont plus importantes que dans le cas statique. De plus, pendant le décollage et la montée, la descente et l’atterrissage, l’avion est soumis aux plus grandes fluctuations de charge. Le train d’atterrissage est rétracté et abaissé ; les volets sont levés et abaissés ; il y a le choc à l’atterrissage ; l’avion doit effectuer des manœuvres ; enfin, l’avion, comme nous le verrons, subit un plus grand nombre de rafales que pendant la croisière.

Les charges correspondant à ces différentes phases doivent être calculées avant de pouvoir obtenir les contraintes associées. Par exemple, pendant le décollage, les contraintes de flexion des ailes et les contraintes dues au cisaillement et à la torsion sont basées sur le poids total de l’avion, y compris les réservoirs de carburant pleins, et la charge utile maximale, le tout pondéré par 1,2 pour tenir compte d’une bosse lors de chaque décollage sur une piste dure ou par 1,5 pour un décollage sur l’herbe. Les charges produites pendant le vol en palier et les manœuvres symétriques sont calculées à l’aide des méthodes décrites dans la section 13.2. À partir de ces valeurs, on peut trouver les distributions de l’effort de cisaillement, du moment de flexion et du couple, par exemple dans l’aile, en intégrant la distribution de la portance. Les charges dues aux rafales sont calculées selon les méthodes décrites dans la Section 13.4. Ainsi, en raison d’une seule rafale équivalente à arête vive, le facteur de charge est donné par l’équation (13.25) ou (13.26).

Bien qu’il soit relativement simple de déterminer le nombre de fluctuations de charge au cours d’un cycle sol-air-sol causé par des opérations standard, telles que la montée et la descente des volets ou la rentrée et la descente du train d’atterrissage, il est plus difficile d’estimer le nombre et l’ampleur des rafales qu’un avion rencontrera. Par exemple, il y a un plus grand nombre de rafales à basse altitude (pendant le décollage, la montée et la descente) qu’à haute altitude (pendant la croisière). Le terrain (mer, terrain plat, montagnes) influe également sur le nombre et l’ampleur des rafales, tout comme la météo. L’utilisation du radar permet aux avions d’éviter les cumulus, où les rafales sont fréquentes, mais a peu d’effet à basse altitude, lors de la montée et de la descente, où les nuages ne peuvent être facilement évités. L’ESDU (Engineering Sciences Data Unit) a produit des données sur les rafales à partir des informations recueillies par les enregistreurs de rafales embarqués dans les avions. Celles-ci montrent, sous forme de graphique (courbes l10 en fonction de h, h étant l’altitude), la distance moyenne parcourue à différentes altitudes pour rencontrer une rafale dont la vitesse est supérieure à ±3,05 m/s. En outre, les courbes de fréquence des rafales donnent le nombre de rafales d’une vitesse donnée pour 1000 rafales d’une vitesse de 3,05 m/s. La combinaison des deux ensembles de données permet de calculer le dépassement de rafales, c’est-à-dire le nombre de cycles de rafales ayant une vitesse supérieure ou égale à une vitesse donnée rencontrée par kilomètre de vol.

Puisqu’un aéronef est soumis au plus grand nombre de fluctuations de charge pendant les phases de roulage-décollage-montée et de descente-décollage-atterrissage alors que peu de dommages sont causés pendant la croisière, la durée de vie en fatigue d’un aéronef ne dépend pas du nombre d’heures de vol mais du nombre de vols. Cependant, les exigences opérationnelles des avions diffèrent d’une classe à l’autre. L’Airbus doit avoir une durée de vie exempte de fissures de fatigue de 24 000 vols ou 30 000 heures, tandis que sa durée de vie économique en réparation est de 48 000 vols ou 60 000 heures ; son train d’atterrissage, cependant, est conçu pour une durée de vie sûre de 32 000 vols, après quoi il doit être remplacé. D’autre part, le BAe 146, qui effectue un plus grand nombre de vols courts par jour que l’Airbus, a une durée de vie sans fissure spécifiée de 40 000 vols et une durée de vie économique de réparation de 80 000 vols. Bien que ces chiffres constituent des exigences opérationnelles, la nature de la fatigue est telle qu’il est peu probable que tous les appareils d’un type donné y répondent. Sur le nombre total d’avions Airbus, au moins 90 % atteignent ces valeurs et 50 % font mieux ; il est clair que des inspections fréquentes sont nécessaires au cours de la vie d’un avion.