Test statique de longeron

 

Article collectif

Le longeron, lorsqu'il est construit, est tellement léger qu'il paraît incapable de remplir son rôle pourtant fondamental. On peut alors être tenté de lui faire subir un essai de résistance statique, pour s'assurer de visu de sa robustesse. Car on se demande en même temps si l'on peut se permettre de faire confiance à la théorie et aux calculs... Mais le test ne risque-t-il pas d'abîmer le longeron?


 

PRÉAMBULE:


1) La meilleure garantie contre la rupture en vol d'un élément d'avion n'est pas un essai statique, mais:
- le choix d'un modèle dont des dizaines d'exemplaires volent sans problème,
- le choix minutieux d'un bois et d'une colle de qualité,
- le respect scrupuleux du plan,
- le soin apporté à la construction de l'appareil.

2) On parle quand il s'agit d'essais statiques d'un nombre de G impressionnant.
Il faut toutefois réaliser qu'en vol normal, il est rare d'atteindre +2 -1 G.
Pousser un essai statique au delà de +3 -2 G est donc plus dangereux pour la structure testée, qu'utile pour la protection du pilote et de son éventuel passager.

Pour être significatif, un test de solidité doit être mené dans les conditions les plus proches possibles des conditions réelles, faute de quoi il ne sert à rien du tout, sauf pour la psychologie de celui qui le réalise, ce qui est assez dangereux.

Pour faire simple, on pourrait envisager de poser le longeron sur le sol, à l'envers, sur deux appuis placés au niveau de chaque attache de cabane, puis de charger le longeron. Mauvaise idée! Un test statique mené de la sorte ne permettrait que de vérifier partiellement des efforts en flexion qui ne sont pas les efforts réels, et laisserait complètement de côté le problème des compressions. Du point de vue scientifique, l'inexactitude du traitement du problème invaliderait complètement le test.

Afin de déterminer la meilleure méthode pour conduire un essai statique, on peut commencer par consulter la courbe des efforts de flexion que subissent les ailes, car elle fournit directement des réponses aux questions qu'on doit se poser. Sur le graphique ci-dessous, l'attache de hauban est sur l'axe vertical rouge, l'attache de cabane est à l'axe vert. Efforts de flexion en pointillés: maximum au niveau du hauban. Efforts tranchants visualisés par les lignes obliques continues (ils ne concernent que les âmes du longeron): leur maximum est également à l'attache de hauban. On sait que les mâts de cabane sont comprimés car la ligne pointillée passe au dessus de l'axe horizontal bleu. Conclusion: le longeron travaille dur près du hauban; la cabane rigole...




1) Pour tester la résistance du longeron, n'utiliser que le longeron; inutile de tester une aile toute entière. Cela peut se faire l'esprit d'autant plus tranquille que les efforts sur l'aile se concentrent presque uniquement sur le longeron, placé tout près du centre de poussée du profil (le longeron est placé à 22% de la corde de profil, et le centre de poussée se situe aux alentours de 25%). Les nervures et le longeron arrière ne servent autant dire à rien dans la résistance de l'aile. Par ailleurs, si ces éléments étaient nécessaires, leur absence (comme celle du coffrage de bord d'attaque), serait plutôt favorable pour le test, en apportant une plus grande marge de sécurité.
De plus, si le longeron casse en cours d'essai, il n'y aura qu'un longeron à refaire, pas une aile complète...

2) Sur le Pou, l'aile est maintenue entièrement par les haubans, et pas du tout par la cabane (au contraire, on sait que la cabane est comprimée par l'aile, du moins sur le HM 293). On le voit sur le graphique, là où les courbes pointillées sont les plus éloignées de l'axe central. On en déduit qu'il ne faut pas placer le longeron à tester à l'envers sur 2 appuis aux emplacements de la cabane; mais qu'il faut le suspendre à l'envers, par les attaches de hauban.
Ainsi suspendu, le longeron pourrait recevoir la charge qu'on veut lui infliger, mais alors on n'aura traité que les problèmes de flexion, et encore de façon partielle: la compression due aux haubans aura été complètement négligée, et les résultats du test ne vaudront rien car les conditions du test sont trop éloignées des conditions réelles.

3) Pour prendre en compte au moins partiellement les efforts de compression, il faut certes suspendre le longeron aux attaches de hauban, mais aussi faire en sorte que les câbles de suspension aient le même angle d'inclinaison que les haubans en situation réelle. Cela provoquera une compression du longeron aux endroits requis, quoiqu'avec une partie seulement de la valeur de compression réelle. Une partie seulement, à cause de l'absence de cabane et d'entoilage, qui jouent aussi un rôle. Pour se rapprocher encore des conditions réelles, il faudrait même ajouter les deux mâts de cabane dans le montage de suspension du longeron. Il faut idéalement reproduire le mieux possible les fixations de l'aile et leur action: s'il y a des haubans et des mâts, on met des haubans et des mâts pour le test... Pour ce qui concerne la compression par l'entoilage, on imagine mal comment la simuler. Par chance son influence n'est pas considérable...



Le montage de test
Un test non destructif sur une aile de Criquet Léger (7,90 m d'envergure)


4) L'aile porte l'avion par toute son envergure, pas seulement au centre. Il faut donc charger le longeron sur toute sa longueur, en réduisant la charge à mesure que la corde diminue sur les extrémités (pointes d'ailes). Disons en simplifiant que la charge sera proportionnelle à la corde d'aile... Voici l'aspect parabolique que peut avoir en vol la distribution de la portance:



5) La charge ainsi répartie devra atteindre 75% de 450 kg* (moins le poids estimé de l'aile elle-même) x 4 G, soit environ 1,3 tonne, pour que le test ne provoque pas de dégâts au longeron, du moins s'il est bon pour le service.
En effet, le longeron ne doit résister à 6 G que pendant 3 secondes (d'après une norme utilisée en Angleterre, Belgique, France, …et ailleurs?).
Si on ne veut pas conserver le longeron mais qu'on veut vraiment savoir s'il résistera à 6 G, on le charge jusqu'à la charge maximale (presque 2 tonnes) qui, elle non plus, n’est pas vraiment la charge ultime car il paraît bien difficile de la mettre et de l'enlever assez vite (3 secondes!).

(*)Nota: Ces 75% correspondent à un pou "Mignet" centré à 25% de la corde totale. Un Croses à grande plume AR a en principe un CdG plus reculé et une aile AV moins chargée (peut-être 70%...?). Pour être plus général, on devrait parler de "charge estimée de l'aile". Par ailleurs, les 450 kg correspondent à la norme de charge maxi pour un biplace (HM 380); pour un monoplace (HM 14, HM 293), il faut prendre comme charge "de base" les 300 kg de la norme légale.


Sur le longeron retourné, les sacs de sable devront produire une charge répartie comme la portance.
En rouge, les mâts et haubans, avec leurs angles conservés.
Prévoir un bon support... celui-ci s'écroulerait avant l'heure.


Cependant, si l'on désire utiliser le longeron après le test, il ne faut pas dépasser les 4 G. Pourquoi? Un longeron doit résister à une charge de +4/-2 G sans déformations permanentes, ce qui signifie qu'après élimination de la charge, le longeron doit strictement avoir repris son aspect antérieur.

Au delà des 4 G, on se trouve dans la marge de sécurité de 1,5 (coefficient appliqué en Angleterre, Belgique, France, …et ailleurs?) qui autorise le longeron à casser à +6/-3 G. Mais cette surcharge de +2/-1 G a toutes les chances de provoquer des déformations permanentes! La limite d’élasticité ayant été dépassée (une limite bien claire pour les métaux, mais beaucoup moins pour le bois), le longeron devient strictement inutilisable après le test!

En chargeant le longeron jusqu'à +4/-2 G et en mesurant après le test la déformation permanente (=0?) on a une indication de la résistance minimale. En faisant des tests destructifs on connaît presque (3 sec!) la résistance ultime, mais on doit refaire le longeron. Hans ENGELS fait des tests non destructifs jusqu'à +3 ou +3.5 G, car au delà il a trop de peur de perdre tout le travail (jusqu’ici il les a pratiqués sur des ailes entières).
Mais il avoue admettre cette incertitude de ne pas avoir prouvé ses calculs jusqu’aux limites car il ne fait pas de voltige et ne vole pas en surcharge. Sa méthode prudente permet quand même de déceler un "vice caché", collage défectueux par exemple.

Le test statique ainsi réalisé prendra en compte les efforts de flexion et une bonne partie des efforts de compression, mais négligera complètement les efforts en ressource, qui sont quand même importants. Cependant, ces efforts en ressource font travailler surtout le bord d'attaque de l'aile, baguette et coffrage, et sont peu dimensionnants pour le longeron lui-même; il n'est donc pas catastrophique de les ignorer.

Les efforts tranchants, assumés par les âmes du longeron, seront correctement pris en compte dans l'opération telle qu'elle est décrite ci-dessus.



LE MONTAGE PRATIQUE


Comment soutenir en l'air une masse de presque 1,5 tonne (900 kg pour un monoplace)? D'autant que la traction sur les 2 câbles atteint une valeur assez sérieuse... Prévoir des attaches solides et un bon bâti d'essai... Voici ce que Hans ENGELS et ses collègues ont réalisé:



Le bâti de test et les attaches

Le bâti en tubes d'acier carrés (qui se transforme ensuite en deux piétements de tables de travail) soutient l'aile par les attaches de hauban, par l'intermédiaire d'un câble disposé comme il le serait sur l'avion. Des sangles empêchent le basculement de l'aile lors du chargement des sacs de sable. Au niveau des attaches de mâts de cabane, deux pièces de bois remplacent les mâts, pour transmettre les efforts de compression verticale au bâti. De petits mâts en acier, inclinés "comme en vrai" engendreraient les efforts de compression longitudinale corrects sur le longeron, en tenant compte du désaxage des attaches. Ainsi, il ne manquerait plus que la compression longitudinale par l'entoilage, plus les efforts en ressource, pour que l'essai soit parfaitement exact. Hans Engels n'est pas favorable (dans les CALCULS THÉORIQUES* de résistance) à la prise en compte du désaxage, qui en quelque sorte rend le longeron plus "robuste" en réduisant le moment de flexion qui est de loin le principal facteur de dimensionnement des semelles du longeron. Alors s'il n'y a pas ces petits mâts, et seulement des pièces de bois verticales, considérons que la différence neutralise peu ou prou l'erreur qui provient des efforts en ressource non pris en compte dans le test...

(*)Nota: Si on fait un essai CONCRET du longeron dans les conditions les plus réelles possibles, avec des haubans et des mâts inclinés comme il convient, le désaxage produira l'effet qu'il doit produire. Et s'il n'a aucun effet... on n'en saura rien. Ça tient ou pas... voilà ce qui compte!


Hans ENGELS a une expérience pratique de ces tests, car dans le cadre de l'association belge des Flemish Amateur Aircraftbuilders FAA-VAV (le RSA Flamand), dont il est Président, plusieurs essais statiques ont été menés pour vérifier des calculs et des constructions.

Deux photos d'un test destructif sur une aile de biplan (avec haubans verticaux, ce qui explique la simplicité de la structure d'appui de l'aile):


Ça va casser...


La photo suivante a été prise au moment suprême, à la fraction de seconde où l'aile casse. On en déduit pas mal de choses, car ça a beau être destructif, ça reste quand-même instructif (humour!):


Ça casse!


Le test a atteint environ 15 G et chaque sac de sable pesait 17 kg.




Bibliographie:

Cahiers du RSA: articles de Henri FEKETE
+ article de Jean-Pierre DAVID: "Orion, les essais statiques de l'aile".




Origine de l’article: Liste de diffusion PouGuide, janvier 2001 (question de R. Barthel)
Auteurs de l’article: Hans ENGELS, Jean-Pierre LALEVÉE
Rédactione: Jean-Pierre LALEVÉE
Comité de lecture: Matthieu BARREAU, Bruno CORBEAU, Paul PONTOIS
Schémas: Jean-Pierre LALEVÉE
Photos: Hans ENGELS
Mise en ligne: Thibaut CAMMERMANS

Pour toute question, correctif, mise au point, ajout: contacter un des 'auteurs.


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