Aviation : Contraintes dans les éléments structuraux

Une structure d'aéronef doit être conçue de telle sorte qu'elle accepte toutes les contraintes qui lui sont imposées par les charges en vol et au sol sans aucune déformation permanente. Toute réparation effectuée doit accepter les contraintes, les transporter à travers la réparation, puis les transférer à nouveau dans la structure d'origine. Ces contraintes sont considérées comme circulant à travers la structure, il doit donc y avoir un chemin continu pour elles, sans changements brusques dans les sections transversales en cours de route. Des changements brusques dans les sections transversales de la structure de l'aéronef qui sont soumises à des charges ou à des contraintes cycliques entraînent une concentration de contraintes qui peut induire une fissuration par fatigue et une éventuelle défaillance. Une égratignure ou une entaille à la surface d'une pièce métallique fortement sollicitée provoque une concentration de contraintes au point d'endommagement et peut entraîner la défaillance de la pièce. Forces agissant sur un aéronef, que ce soit au sol ou en vol, introduire des forces de traction, de poussée ou de torsion au sein des différents éléments de la structure de l'aéronef. Lorsque l'avion est au sol, le poids des ailes, du fuselage, des moteurs et de l'empennage fait que des forces agissent vers le bas sur les extrémités des ailes et des stabilisateurs, le long des longerons et des longerons, ainsi que sur les cloisons et les anciens. Ces forces sont transmises d'un élément à l'autre, provoquant des forces de flexion, de torsion, de traction, de compression et de cisaillement. 

Lorsque l'avion décolle, la plupart des forces dans le fuselage continuent d'agir dans la même direction ; à cause du mouvement de l'avion, elles augmentent en intensité. Les forces sur les bouts d'ailes et les surfaces des ailes, cependant, inversent la direction; au lieu d'être des forces de poids descendantes, elles deviennent des forces de portance ascendantes. Les forces de portance s'exercent d'abord contre la peau et les longerons, puis sont transmises aux nervures, et enfin sont transmises à travers les longerons pour être réparties dans le fuselage. Les ailes se replient vers le haut à leurs extrémités et peuvent flotter légèrement pendant le vol. Cette flexion des ailes ne peut être ignorée par le fabricant dans la conception et la construction d'origine et ne peut être ignorée lors de la maintenance. Il est surprenant qu'une structure d'aéronef composée d'éléments structuraux et d'une peau rigidement rivetés ou boulonnés ensemble, telle qu'une aile,

Les six types de contraintes dans un avion sont décrites comme étant la tension, la compression, le cisaillement, le roulement, la flexion et la torsion (ou torsion). Les quatre premières sont communément appelées contraintes de base ; les deux derniers, des contraintes de combinaison. Les contraintes agissent généralement en combinaisons plutôt qu'individuellement. 

Tension 

La tension est la contrainte qui résiste à une force qui tend à se séparer. Le moteur tire l'avion vers l'avant, mais la résistance de l'air tente de le retenir. Il en résulte une tension, qui a tendance à étirer l'avion. La résistance à la traction d'un matériau est mesurée en livres par pouce carré (psi) et est calculée en divisant la charge (en livres) nécessaire pour séparer le matériau par sa section transversale (en pouces carrés). 

La résistance d'un élément en tension est déterminée sur la base de sa surface brute (ou surface totale), mais les calculs impliquant la tension doivent prendre en considération la surface nette du membre. La surface nette est définie comme la surface brute moins celle retirée en perçant des trous ou en apportant d'autres modifications à la section. Placer des rivets ou des boulons dans les trous ne fait aucune différence appréciable dans la résistance supplémentaire, car les rivets ou les boulons ne transfèrent pas les charges de tension à travers les trous dans lesquels ils sont insérés. 

Compression 

La compression, la contrainte qui résiste à une force d'écrasement, a tendance à raccourcir ou comprimer les pièces d'avion. La résistance à la compression d'un matériau est également mesurée en psi. Sous une charge de compression, un élément non percé est plus résistant qu'un élément identique percé de trous. Cependant, si un bouchon d'un matériau équivalent ou plus résistant est ajusté étroitement dans un élément foré, il transfère les charges de compression à travers le trou, et l'élément supporte une charge approximativement aussi importante que si le trou n'était pas là. Ainsi, pour les charges de compression, la surface brute ou totale peut être utilisée pour déterminer la contrainte dans un élément si tous les trous sont étroitement bouchés avec un matériau équivalent ou plus résistant.  

Tondre 

Le cisaillement est la contrainte qui résiste à la force tendant à faire glisser une couche d'un matériau sur une couche adjacente. Deux plaques rivetées en tension soumettent les rivets à un effort tranchant. Habituellement, la résistance au cisaillement d'un matériau est égale ou inférieure à sa résistance à la traction ou à la compression. L'effort de cisaillement concerne le technicien aéronautique principalement du point de vue des applications de rivetage et de boulonnage, en particulier lors de la fixation de tôles, car si un rivet utilisé dans une application de cisaillement cède, les pièces rivetées ou boulonnées sont poussées latéralement.  

Palier 

La contrainte d'appui résiste à la force exercée par le rivet ou le boulon sur le trou. En règle générale, la résistance de la fixation doit être telle que sa résistance totale au cisaillement soit approximativement égale à la force portante totale du matériau en feuille.

Torsion 

La torsion est la contrainte qui produit la torsion. Tout en faisant avancer l'avion, le moteur a également tendance à le tordre d'un côté, mais d'autres composants de l'avion le maintiennent sur sa trajectoire. Ainsi, une torsion est créée. La résistance à la torsion d'un matériau est sa résistance à la torsion ou au couple (contrainte de torsion). Les contraintes résultant de cette action sont des contraintes de cisaillement provoquées par la rotation de plans adjacents l'un devant l'autre autour d'un axe de référence commun perpendiculaire à ces plans. Cette action peut être illustrée par une tige fixée solidement à une extrémité et tordue par un poids placé sur un bras de levier à l'autre, produisant l'équivalent de deux forces égales et opposées agissant sur la tige à une certaine distance l'une de l'autre. Une action de cisaillement s'installe tout le long de la tige, l'axe de la tige représentant l'axe neutre.

Pliant 

La flexion (ou contrainte de poutre) est une combinaison de compression et de tension. La tige a été raccourcie (comprimée) à l'intérieur du coude et étirée à l'extérieur du coude. Notez que la contrainte de flexion fait agir une contrainte de traction sur la moitié supérieure de la poutre et une contrainte de compression sur la moitié inférieure. Ces contraintes agissent en opposition de part et d'autre de l'axe médian de l'élément, appelé axe neutre. Étant donné que ces forces agissant dans des directions opposées sont côte à côte au niveau de l'axe neutre, la plus grande contrainte de cisaillement se produit le long de cette ligne et aucune n'existe aux extrémités supérieures ou inférieures de la poutre.