Pourquoi nous avons développé un système de test de la grêle

Vous êtes-vous déjà demandé comment la technologie moderne et les matériaux actuels sont développés pour vous protéger, vous et les avions, face à des dangers comme les orages de grêle ? En raison de leurs mécanismes complexes de rupture, les éléments composites renforcés en fibre doivent faire l'objet de tests expérimentaux pour de telles charges, avec des résultats parfois imprévisibles.

Prenez par exemple Xycomp® DLF™ (fibre longue discontinue). Pendant des années, ce matériau a semblé très prometteur pour remplacer les pièces métalliques aux formes complexes dans les applications aérospatiales. Malheureusement, malgré un excellent comportement en cas d'impact (chute de poids) à faible vitesse et une faible réduction lors de la compression après la force de l'impact, des doutes ont surgi très tôt concernant le comportement de ce matériau face à des grêlons à grande vitesse, ce qui a empêché son adoption là où ce genre de phénomène est susceptible de se produire. Exemple d'application, un tel cas de charge est particulièrement critique sur l'avant d'un turboréacteur, car tout matériau projeté lors de l'impact risque d'être avalé par le moteur, ce qui pourrait avoir des conséquences catastrophiques. C'est pour cela qu'il était nécessaire de valider les capacités du DLF face à l'impact des grêlons avant de se mettre à développer ce genre d'élément critique avec du DLF.

En raison des coûts et des difficultés logistiques des tests, les données sur l'impact des grêlons étaient très limitées et dans un cas où un client a réalisé un test exploratoire sur des échantillons laminés, les résultats ont été mauvais.

Pour réaliser une investigation approfondie, le département R&D de Greene Tweed a lancé un projet de développement technologique visant à mieux comprendre le comportement du DLF face aux impacts à grande vitesse et à l'améliorer. Après validation grâce aux essais que le comportement à l'impact était totalement différent à basse vitesse et à grande vitesse, et que les tests de chute de poids ne pouvaient pas être utilisés pour prédire les performances face aux impacts de grêlons, il est devenu clair que les capacités de test joueraient un rôle clé. Flexibility in testing to allow quick research iteration loops was identified as a major factor in the success of the project, but the limited number of recognized testing facilities offering such services, the testing cost, and the ever-expanding restrictions due to the pandemic at the time made it very difficult to realize such a vision. C'est pourquoi il a été décidé début 2020 de développer des capacités internes de test d'impact des grêlons.

De nombreux obstacles devaient être surmontés, comme déterminer la façon d'atteindre les vitesses requises de plus de 200 m/s dans l'espace limité disponible, ou encore savoir mesurer précisément la vitesse d'impact dans cet espace restreint. The hailstone-making process itself required careful consideration, as a normal "ice-cube" as found in one's freezer solidifies from the outside inwards, creating severe internal stresses which (as we found out) leads to the breakup of the hailstone during the acceleration phase, turning the equipment into a not very useful snow-cannon. After some planning, more testing, and a couple of iteration loops, the testing capability was eventually finalized, and the actual material investigations could begin.

In its current configuration, the impact testing jig has a chamber allowing components up to a size of 600 x 500 x 300 mm to be tested, at speeds up to 300 m/s. Testing has already been conducted with 2" and 1.5" diameter hailstones. Observations of the test are performed using a high-speed camera, where over 10,000 frames per second can be recorded.

Over the last year, the knowledge gained allowed Greene Tweed to develop and demonstrate novel DLF materials and application design concepts that meet or exceed the high-velocity impact resistance of traditional continuous fiber composites, in addition to obtaining a better understanding of the damage behavior in discontinuous composites. Currently, several Aerospace applications with hail impact requirements are under development, making good use of the internal testing capability and "lessons learned".