Out of plane elastic compressive properties of metallic honeycomb structures

Ce travail de recherche évalue l’influence de trois facteurs géométriques sur le module de compression hors-plan des structures en nid d’abeilles métalliques, spécifiquement en aluminium: la topologie cellulaire, la hauteur de la structure alvéolaire et la géométrie de l’échantillon. L’objectif est de vérifier si les valeurs typiques de modules fournies par les fabricants, souvent supposées constantes, restent valides sous différentes configurations.

Historiquement, des modèles théoriques (notamment de Gibson & Ashby) proposent une formule reliant ce module à la masse volumique relative et au module d’Young du matériau. Cependant, des écarts significatifs sont observés entre les modules théoriques et expérimentaux, surtout pour des nids d’abeilles de faible densité. Cela s’explique par des micro-défauts tels que des micro-perforations et micro-flambements des parois, ainsi que par la surestimation des modules d’Young pour les matériaux très fins.

Pour investiguer ces phénomènes, des essais de compression selon la norme ASTM C365 ont été réalisés, ainsi que des modélisations par éléments finis (FEM). Les essais montrent que la topologie cellulaire influence fortement les performances mécaniques : une géométrie modifiée avec des parois ondulées augmente significativement le module de compression (jusqu’à +118% pour seulement 7,9% d’augmentation de masse volumique) par rapport à une structure hexagonale classique.

De plus, la hauteur du nid d’abeille (paramètre absent des formules théoriques) a aussi un impact notable. Des essais sur des hauteurs de 5 mm, 10 mm, 15,9 mm et 44 mm révèlent que le module de compression croît avec l’augmentation de la hauteur, réduisant également la zone de déformation élastique. Pour les faibles hauteurs, l’adhésif utilisé dans les essais de compression stabilisée semble influencer les résultats. 

Les simulations numériques reproduisent bien ces tendances expérimentales, mettant en évidence deux régimes élastiques : un premier régime théorique suivi d’un second régime dominé par les micro-flambements. Cette approche numérique confirme que la performance mécanique ne dépend pas uniquement du matériau et de la masse volumique, mais également de la géométrie des cellules et de la hauteur du matériau d’âme.

En conclusion, cette étude démontre que le module de compression hors-plan des nids d’abeille métalliques n’est pas une constante universelle. Il dépend fortement des caractéristiques géométriques du réseau cellulaire, ce qui remet en cause les généralisations simplificatrices souvent utilisées. L’intégration de ces facteurs est essentielle pour des applications nécessitant une haute précision mécanique, notamment dans l’aéronautique et le spatial.