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Matériaux et structures


La branche Matériaux et structures (MAS)  se compose de trois départements scientifiques et d'un laboratoire de recherche mixte ONERA-CNRS. Au total, la branche MAS rassemblait, fin 2013, 244 personnes dont 143 ingénieurs chercheurs, 45 ITA et 32 doctorants et post-doctorants, localisées  sur 3 sites : Châtillon, Palaiseau, Lille.

Ses activités, à caractère expérimental, théorique et numérique, sont dédiées aux matériaux et structures d’usage dans les industries aéronautiques, spatiales et de défense.  Elles vont de la microstructure des matériaux au comportement dynamique et vibratoire des structures dans leur environnement, en passant par la conception, l’élaboration et la caractérisation de matériaux et d’éléments de structures métalliques, céramiques ou composites.
 

Principaux axes de recherche de la branche MAS

  • Etude des microstructures (de l’atome à la microstructure) (LEM + DMSM + DMSC)
  • Conception et élaboration de matériaux (DMSM + DMSC)
  • Développement de modèles numériques pour la simulation des microstructures (LEM + DMSM)
  • Caractérisation et modélisation du comportement des matériaux (LEM + DMSM +DMSC + DADS)
  • Optimisation et durée de vie des structures  (DMSM + DMSC + DADS)
  • Comportement dynamique des structures (DADS)
  • Aéroélasticité (DADS)
  • Etude et validation de nouveaux concepts structuraux (DMSC + DADS)
     

Contact

Esteban P. Busso

Directeur Scientifique - Branche MAS

 

ONERA, Direction Scientifique Générale
Chemin de la Huniere
B.P. 80100
FR-91123 PALAISEAU CEDEX 

Tel : +33 -1 80 38 67 80
Mel :
esteban.busso@onera.fr
 

Les départements

Aéroélasticité et dynamique des structures (DADS)

Couplage statique aéro-élastique  du moteur de type open-rotorSon activité couvre cinq grands thèmes. La conception et l’optimisation mécanique de structures conduit à la mise au point de technologies spécifiques (matériaux fonctionnels, actionneurs…), de méthodes et d’outils stochastiques pour prendre en compte la variabilité et débouche sur le développement technologique de nouvelles structures. En vibration des structures (hydro-élasticité comprise), tout le spectre est couvert : basse fréquence (modélisation et identification de l’amortissement et des non linéarités pour les structures complexes, ballottement dans les structures déformables, nouvelles méthodes d’identification modale), moyenne et haute fréquences (vibroacoustique, nouvelles approches énergétiques). Les études en dynamique rapide (transitoires, crash, impact) portent sur les méthodes numériques, la prise en compte des singularités technologiques et, plus généralement, des non-linéarités ainsi que sur le développement des méthodes expérimentales de validation.

Modélisation d’un amerrissageEnfin, les recherches en aéroélasticité sont orientées vers la modélisation et la simulation des phénomènes complexes dans l’écoulement (chocs, décollements), dans la structure (jeux, contacts) et dans les systèmes (saturations, retards). Couplage fort CFD/CSM,  approches alternatives (modèles réduits, méthodes linéarisées) et optimisation aéroélastique sont développés et validés par des essais. Du côté expérimental, l’effort porte sur le contrôle aérodynamique.

 

Matériaux et structures composites (DMSC)

Il se consacre à l’évaluation et à la modélisation des propriétés des composites à matrice organique (CMO) et céramique (CMC), de l’échelle du matériau à celle de la structure composite. Un des thèmes majeurs est la modélisation de l’endommagement et de la rupture qui s’étend de l’amorçage des premiers dommages jusqu’à la prévision de durée de vie des structures composites sous sollicitations thermomécaniques complexes. Le développement de méthodes d’instrumentation spécifiques (mesure de champs par stéréo corrélation d’images numériques ou suivi de l’émission acoustique) est également un point fort du département. Un second thème est constitué du contrôle santé des matériaux à partir d’ultrasons, de thermographie ou de fluorescence, du contrôle de la qualité d’assemblages collés par ondes de Lamb et du contrôle santé intégré. L’étude, jusqu’au pré-développement, de nouveaux matériaux composites (matrice métallique, CMO, CMM), de matériaux fonctionnels, la modélisation des procédés d’élaboration, la mesure de propriétés thermophysiques et thermo-optiques (conductivité, émissivité, diffusivité thermiques) de matériaux utilisés à hautes températures constituent d’autres thèmes traités dans le département.

Modélisation multi-échelle du comportement et de l’endommagement de composites interlocks

Matériaux et structures métalliques (DMSM)

Il cherche notamment  à améliorer le couplage entre approche microstructurale et approche mécanique, afin de développer des modèles prévisionnels de durée de vie en fonctionnement. Ses activités se déclinent en trois thèmes principaux :

  • l’amélioration de matériaux en service ou la conception de nouveaux matériaux, qui privilégie une approche couplée matériau/mécanique,
  • l’étude et la modélisation du comportement et de l’endommagement et
  • le développement de la mécanique numérique, sans oublier une veille active sur de nouveaux matériaux pour le futur. 

Le matériau étant appréhendé comme un système ou un sous-système d’un ensemble plus complexe (l’élément de structure), le département s’intéresse aussi aux procédés d’assemblage et développe de nouvelles techniques d’analyse microstructurale et chimique adaptées. Il s’attache par ailleurs à développer des outils numériques : couplage mécanique/thermique, modélisation multi-échelle multi-modèle, prise en compte des incertitudes…

Laboratoire d'étude des microstructures (LEM)

Le LEM est une unité mixte qui réunitréunit des personnels provenant de l'ONERA du Cnr. Les recherches qui y sont développées ont pour but d'analyser les microstructures se développant dans les matériaux (cristallographie, chimie, thermodynamique, défauts) ainsi que de comprendre leur formation, leur évolution et leur rôle sur leurs comportements physiques.  L'ambition générale est de combiner expériences, théories et simulations à différentes échelles afin d’établir les relations entre microstructures et propriétés. L’activité de recherche du LEM se décline sur trois axes principaux :

  • matériaux de basse dimensionnalité (nanotubes, graphène...)

  • les structures atomiques et les propriétés de transport

  • les microstructures de changement de phase et les propriétés plastiques

Le LEM s’intéresse aux sujets répondant à des préoccupations communes concernant la compréhension et l'optimisation des matériaux destinés à l'aéronautique et à l'espace. Il mène des études propres, ouvertes également aux collaborations extérieures, visant à comprendre les phénomènes et à développer des compétences expérimentales et de modélisation en physique des matériaux.  Les moyens de microscopie électronique sont mis à la disposition des utilisateurs ONERA, éventuellement d'utilisateurs extérieurs. Le LEM veille au renouvellement et à l'actualisation du parc d'instruments en fonction de l'évolution des besoins de l'ensemble des chercheurs en activité à l'ONERA.

micrographie superalliage AM1 & prédiction numérique par champs de phase

En savoir plus sur le LEM
 

Matériaux, systèmes et procédés

Très variés, les matériaux étudiés affichent en général des propriétés exceptionnelles (tenue à haute température, amortissement du bruit ou des vibrations, légèreté…), qu’il s’agisse de systèmes superalliages/couche de liaison/ barrière thermique pour aubes de turbines, de matériaux structuraux massifs à très haute tenue en température, de matériaux multifonctionnels (AMF hautetempérature…), de matériaux architecturés (micro-nids d’abeilles…), de CMC oxyde-oxyde, de céramiques (eutectiques, céramiques ultra-réfractaires), de feutres et matériaux cellulaires, de chalcopyrites (pour l’optique non linéaire), de CMM SiC-titane...

Plusieurs sujets spécifiques sont abordés avec les structures que sont les composites à matrice organique (CMO) : variabilité statistique, conception robuste, chargement complexe (3D) des structures, approche multi-échelles et multiniveaux des modes de défaillance, modèles de comportement, d’endommagement et de rupture de CMO tissés, durabilité (aspects physicochimiques, sollicitations de très longues durées), cinétique d’apparition de fissures… Pour les matériaux plus conventionnels, les études, faites à l’échelle de la structure, intéressent surtout les applications aérospatiales : aubes et disques de turbomachines, voilures déformables, pales de rotor d’hélicoptère, structures tubulaires de refroidissement des tuyères de moteur fusée (vol 517 d’Ariane), pour lesquelles une approche couplée aéro-thermo-mécanique a été développée… Les procédés considérés concernent pour l’essentiel l’élaboration des matériaux.

Moyens

La branche MAS et ses départements disposent de nombreux moyens, y compris des clusters de calcul, et peuvent aussi faire appel à ceux, plus importants, du département de Ressources informatiques de l’ONERA.

Aéroélasticité et dynamique des structures (DADS)

  • Tour de crashlaboratoire mobile d’identification modale de grandes structures (448 voies large bande avec excitation par 12 pots électrodynamiques de 200 à 1 000 Newton)
  • chaînes d’acquisition (64, 128, 320 voies simultanées)
  • système de mesure photogrammétrique de déformées statiques
  • moyens d’excitation dynamique électro-hydrauliques (adaptés aux souffleries)
  • vibromètres laser fixe et à balayage
  • système de contrôle temps réel moyens de sollicitation statique et dynamique (traction, compression, machines d’impact, vérin rapide, barres d’Hopkinson, tour de crash, lanceurs à air comprimé, pas de tir petit calibre
  •  moyens optiques pour la dynamique rapide (cinématographie ultra-rapide)
     

Matériaux et structures composites (DMSC)

  • essais mécaniques (machines de traction/compression, machine d’impact, micro-indentation à chaud, machine de fatigue ± 50 tonnes) 
  • élaboration : presse de forgeage 150T, presse céramique et four presse CMC, fours Bridgman, presses CMO, fours…
  • piézospectroscopie laser, CND ultrasons par immersion, ondes de Lamb, métrologie du champ électromagnétique, thermographie IR,…
  • diffusimètres thermiques (5), mesure de l’émissivité thermique (2) conductimètres (2), banc d’oxydation laser, analyse thermogravimétrique rapide

Contrôle santé : détection de dommages du radôme du RAFALE

Matériaux et structures métalliques (DMSM)

  • Tour d’atomisation pour  la fabrication des  poudres  métalliques et céramiquesmoyens d’élaboration des matériaux (production d’alliages par voies conventionnelles production de poudres métalliques, y compris pour les matériaux réactifs et réfractaires, moyens de transformation thermomécanique, techniques de dépôt, etc.) 
  • moyens de caractérisation environnementale (banc de corrosion, corrosion complexe, brouillard salin, oxydation)
  • machines d’essais mécaniques (dont un parc d’une trentaine de machines de fluage) et laboratoire de mécanique expérimentale avec 4 machines instrumentées pour des essais sous sollicitations complexes
  • laboratoire de microscopie et de microanalyse

Micro-indentation à chaud

Laboratoire d'étude des microstructures (LEM)

  • Microscope électronique  à transmission LIBRA200 haute résolution  avec une source FEG  Microscope électronique à transmission CM20 FEI, nanosonde, avec Filament LaB6 et un Canon Tecnai neuf (août 2012) (HV = 80 - 200 kV, Résolution spatiale < 2.5 Å).  Caméra Gatan Orius et EDX
  • Microscope électronique à transmission LIBRA 200 MC Zeiss haute résolution avec une source FEG Schottky + Monochromateur et filtre énergétique dans la colonne (HV = 200 kV et 80 kV, résolution spatiale < 1.4 Å et énergétique de 150 meV à 200 kV et 95 meV à 80 kV). Caméra Gatan Ultrascan
  • Banc de photoluminescence (collaboration LEM+ DMPH) pour étudier les propriétés optiques de nanostructures, des semiconducteurs à grand gap (> 5 eV) et des sources et éléments d’optique dans l’UV profond.
  • Diffraction des rayons X avec un diffractomètre "haute résolution" (laboratoire commun LEM + DMSM)

Diffractomètre des rayons X haute résolution

 

La présentation de la branche Matériaux et structures en pdf [avril 2014]

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