Projet de trike bois "monocoque"

Vu que mon projet de VC carbone est en standby (pour diverses raisons) pour le moment, je suis reparti sur un projet de tadpole en bois...
Pour la géométrie, je pars sur celle d'un Thunderbolt, la différence étant l'arrière, non triangulé, en 26" x 20" (2)

Le bois a comme énorme avantage son prix et sa facilité de travail, et il a été mis en oeuvre avec bonheur dans le monde du cycle.
J'ai opté pour un cadre style Renovo, qui au passage fait référence à la technologie monocoque employée sur le De Haviland Mosquito (entres autres), bien que la technologie ne soit pas absolument identique (les coques du Mosquito étaient en CP moulé).

Bref. L'idée est un lamellé collé de lattes de frêne (avec quelques lattes d'essences tropicales) mises en forme dans le sens de la longueur (sauf pour l'arrière, je détaillerai plus tard), puis évidé dans un soucis de gain de poids, avec collage des 2 demi coques formées.
Une couche de fibres de verre sera peut être appliquée à l'instar de ce qui se fait dans la construction des kayaks en bois, je ne suis pas encore fixé la dessus, de même que pour un remplissage des creux en mousse faible densité... Mais ça reste à voir car je veux employer au minimum les matériaux autres que le bois.

La section principale est de 80mm (40mm pour les bases) avec des parois de 3mm . le poids calculé pour la partie principale étant de 4kg, ce qui reste correct face à l'emploi d'un tube d'alu (entre 2.5 et 3kg pour l'alu), et plus intéressant que l'acier (autour de 5-6kg).

Les premières modélisations des contraintes donnent un cadre moins rigide, bien sur, qu'un cadre métallique, mais qui ne sera pas un morceau de caoutchouc   

Il reste du boulot pour la conception des bras avant, car je souhaite un modèle non suspendu, mais je veux tirer parti de la conception et de la souplesse du bois pour obtenir un modèle confortable...Et je cogite pour voir si un train avant inclinable est réalisable sans utiliser trop d'alu

Une première image (la demi coque inférieure rendue sous solidworks):



Le siège est prévu fixe, participant à la rigidité de l'ensemble, c'est pour cela qu'il n'y a pas de fermeture à l'extrémité, de manière à avoir une bôme réglable sur une petite amplitude.

Mmh mmh ! tres interessant Gex ! la bome réglable n'est vraiment pas indispensable , on peut s'en passer aisément , euh ... c'est quoi un " thunderbolt" ?

Le Thunderbolt est un modèle de chez Hellbentcycles   

Pour la bôme, effectivement, c'est loin d'être indispensable, mais je préfère la prévoir juste au cas où d'autres que moi utiliseraient la bête...et puis ça permet toujours de rattraper un petit loupé au niveau des mesures   

Ploum, ploum, ploum   
Le solveur d'Abaqus est plus pessimiste (ou moins, tout dépend du point de vue) que celui de solidworks   

Bref, la présence des zones non usinées pénalise le poids sans apporter grand chose...
En ne les laissant qu'aux endroits ou viendront se greffer les pattes arrières et les bras avant, ca donne un gain de poids de quasiment 1.8 kg   

Ca donne ceci (vue demi coque inférieure), et (pas!) accessoirement, selon Abaqus, un cadre pas assez rigide avec un coefficient de sécurité trop léger (j'aime encore la vie!):



Donc plusieurs solutions :

- augmenter l'épaisseur des parois : j'ai testé à 5mm, ça monte le poids à 3.5 kg (facteur de 6 pour un cycliste de 120 kg exercant une force de poussée égale à son poids ) avec un CS et une rigidité acceptables

- prévoir un matériau d'âme : une âme balsa (de densité 100kg/m3), on arrive à environ 3.4 kg. Ou une âme en mousse : il doit y avoir moyen de gratter 800 grammes, mais au prix d'une perte au niveau des propriétés mécaniques de l'ensemble ( et pour gratter aussi peu, autant rester au maximum sur le bois, ce qui est quand même mon objectif   ).

- prévoir des couples avec un bois dont la densité se situe entre le frêne et le balsa (vers les 400kg/m3), présentant de bonnes caractéristiques mécaniques : poids pas encore calculé, vu que je compare les essences, mais ça doit monter vers 2.5 kg. Ça semble intéressant avec presque 1 kg gagné sur l'âme balsa, reste à voir ce que ça donne en simulation???

Les caractéristiques mécaniques des solutions 2 et 3 seront, de manière prévisible, plus performantes que les parois épaissies à 5mm, je vais explorer ces deux pistes, la solution des couples ayant un avantage sur celle de l'âme balsa : plus grande facilité de mise en œuvre  

Un autre avantage de la solution des couples, est peut être de réinvestir le gain de poids dans l'emploi d'un bois comme le Maçaranduba (Balata) pour la coque, bois plus dense, mais mécaniquement très supérieur au frêne. Le poids coque Maçaranduba  + couples devrait se situer au niveau du poids coque frêne + âme balsa ( à voir en simulation la comparaison des performances mécaniques obtenues?).
Le problème de cette essence est qu'elle sera moins évidente à trouver, et si la machine qui sera utilisée pourra l'usiner (en plus il faut des fraises au carbure de tungstène pour cette essence, et son collage est plus délicat que le frêne)

Petite conclusion au passage : Renovo (et autres) ont l'avantage de la configuration triangulée des VD qui se prête mieux à l'utilisation du bois que les VC monopoutres  

Après quelques simulations sur une coque rectiligne de 1 mètre de long et section constante de 80 millimètres, les résultats donnent entre la coque creuse + couples (j'ai considéré des couples évidés de 5mm en frêne espacés de 25mm) et la coque à âme balsa, un net avantage au premier niveau poids (comme je l'imaginais), et seulement un très léger avantage au second niveau rigidité...

J'avais la flemme ce soir de modéliser l'âme ou les couples sur la "vraie" coque, ben il va quand même falloir que je le fasse demain pour avoir des résultats probants, la poutre du trike faisant plus d'un mètre de long et comportant des angles.

A propos d'angles, le principal souci réside dans la partie du cadre ou vient se positionner le dossier du siège, je vais revoir le dessin du cadre au passage, afin d'avoir un angle plus ouvert à ce niveau, de manière à mieux répartir les contraintes sur l'ensemble de la poutre...

La meilleure solution semble quand même la mise en place de couples, qu'on peut espacer plus ou moins suivant les zones, et même trianguler aux endroits plus critiques pour augmenter la rigidité...
N'ayant pas sous la main de données mécaniques relatives aux contreplaqués, je vais essayer de trouver ça afin de modéliser les couples avec, le gain devait être significatif à tout point de vue (poids, orientation des fibres et croisement de celles ci dans le contreplaqué)...

Comme quoi les angles ne sont pas nos amis   

Coque creuse 3mm frêne sans couples ni âme, la modification de la partie arrière multiplie le coefficient de sécurité par 2 (il est à 20 dans les mêmes conditions de simulation) !

Actuellement poids ramené à 1.8 kg pour cette pièce, avec des déplacements de l'ordre de 5/10eme de mm.
Une pièce alu 7075 d’épaisseur 1.5 mm et de même section (alors qu'en général les constructeurs prennent 60mm de section pour environ 2.3 kg) prend des déplacements maxi de 2.78/10ème de mm... pour un poids de 3.4 kg !!! (mais un coefficient de sécurité plus large).

Bref, il y a de la marge pour l'emploi d'une essence plus dense présentant de meilleures caractéristiques mécaniques dans les premières couches du lamellé collé...
Le balata ayant certains inconvénients, je vais essayer de trouver une essence aux qualités proches. Visuellement, ça donnera en plus un effet sympathique.
En rajoutant quelques couples à certains endroits précis (raccord des pattes, raccord des jambes de train avant, etc...) je pense que je devrais contenir le poids aux alentours d'un équivalent alu 7075 d'épaisseur 1.5mm et de section 60 mm...

un rendu pour donner une idée :


L'inconvénient de cette configuration est qu'il va falloir que je porte une plus grande attention à la rigidité du siège dont le dossier ne sera plus soutenu par la forme du cadre (gênant pour les phases de pédalage en montée ou on se cale sur le dossier)

Edit : Le wenge en complément du frêne, pour les couches externes du lamellé, me semble sympa   

J'ai commencé à modéliser les couples.
Un lien donné par Cdriko, dans son sujet sur le vélomobile bois, sur la structure imaginée par Sheldrake (le quarter isogrid) m'a donné l'idée de couples orientés à 30° par rapport à des lisses orientées dans le sens de la longueur...

Les couples et les lisses seront réalisés en CTP d'un millimètre (cout d'environ 50 euros pour le CTP)



un aperçu de ce que ça donne (tout n'est pas encore modélisé, l'évidement pour le passage de la bôme coulissante, qui aura une structure similaire, n'est pas représenté, de même que l'ancrage des bras avant)



Niveau poids, c'est évidemment plus lourd que la coque creuse, mais ça reste honnête : 2,9 kg pour la coque (sans les bras avant), soit un peu plus lourd que l'alu, mais bien moins que l'acier, et ça ne souffrira pas de problèmes de rigidité (théoriquement).

Maintenant, je reviens sur un point :

Plutôt qu'un lamellé collé qui sera ensuite usiné pour la coque, dans laquelle seront insérés les couples, méthode qui sera génératrice d'un gros volume de déchets d'usinage qui m'oblige à me déplacer pour accéder à une machine CNC, et par ailleurs couteuse : une coque pleine de 8cm de section en planches de frêne de 2mm collées, ça fait 40 planches de 2mm, même en négociant ça chiffre!) je pense à autre chose:

Une coque moulée/collée sur la structure, en feuilles de 0,6 d'épaisseur croisées (un peu comme ce qui se fait en construction navale, proportions gardées quant à l'épaisseur) réduira le cout (la feuille en 0.6mm à dimension égales ne coutant pas plus cher qu'une feuille de 2mm, et il m'en faudra beaucoup moins) et ne nécessitera pas de machine pour l'usinage...
Les angles n'étant pas excessifs, cette méthode ne devrait pas poser (trop!) de difficultés (Certains modèles réduits de bateaux emploient cette technique, il y a d'ailleurs un article ICI qui traite du sujet pour ceux que ça intéresse)

super interessant ! es-ce possible de te demander plus de précisions sur ta modélisation ? quelle a été ta stratégie : maillage de ta coque avec des éléments plaques composites ? ou bien en éléments solides composites ? je n'utilise pas abaqus mais il doit y avoir un intérêt à utiliser des éléments composites solides avec des propriétés non linéaires, tu as essayé quelque chose là dedans ? comment tu valides ton modèle par rapport au réel ? merci !

Sous Solidworks j'ai réalisé la simulation sans définir de coque composite, en assignant à la pièce un matériau auquel j'ai appliqué un modèle linéaire élastique orthotropique avec en critère de ruine la contrainte normale maximale (modèle le plus couramment utilisé avec Solidworks pour le bois, vu que Solidworks ne propose pas de modèle orthotropique non linéaire)

Pour la simulation de la coque en lamellé collé évidé, le problème rencontré avec les coques composites de Solidworks est le peu d'options dans l'orientation du composite : sur les faces supérieures et inférieures, Solidworks avait vraiment envie que les fibres suivent les courbures au niveau de l'arrière, ce qui aurait été le cas avec un tissu carbone par exemple, mais pas avec mon lamellé collé.

C'est souvent un problème ce manque de finesse dans la définition des coques avec solidworks, qui engendre des résultats parfois (souvent!) incohérents   

Bref, du coup, faire abstraction de la lamination m'a semblé avec Solidworks, la meilleure solution, surtout pour un test rapide...

Abaqus, pour qui la simulation est la principale raison d'être, est plus fin, et même pour un test rapide, j'ai pris le temps de faire le test en définissant un composite (une coque de 3mm d'épaisseur avec un lamellé collé composé de planches de 2mm donnant en définitive deux couches, une de 2mm et une de 1mm). Pour les tests rapides j'ai pris le parti d'utiliser un modèle linéaire.

Pour des tests plus complets, je suis en train de me taper un ouvrage sur la modélisation des ouvrages en bois sous Abaqus, histoire de ne pas faire trop de boulettes lorsque je testerai le cadre terminé

Je ne dispose pas de laboratoire, mais dès que j'aurais les matériaux sous la main, je ferai quand même une éprouvette de test afin de comparer les résultats et le comportement avec la simulation informatique de cette éprouvette.
Ok, le cric hydraulique et la balance ne sont pas des outils de labo, mais je ferai avec

Je manque à l'heure actuelle de données pour valider mon modèle théorique (par exemple l'accélération verticale subie lors de la descente d'un trottoir, la torsion subie lorsque qu'une des deux roues avant passe sur une inégalité), données qu'il va falloir que j'essaie de calculer en reprenant mes cours de mécanique, ou de trouver, en fouillant ici et là ( norme EN14781 semble contenir des trucs pas inintéressants ).

merci, j'ai commencé aussi avec la même démarche au début. j'ai vite abandonné solidworks/cosmosworks(à l'époque) pour utiliser un logiciel plus aproprié. Avec le recul et mon expérience et vu le type de coque que tu modélises le premier mode de rupture c'est par flambement, qui va survenir bien avant ta contrainte maximale.
Tester des poutres il n'y a rien de mieux, moi aussi j'ai le vérin et le cric, on peut faire plus précis mais c'est déjà très riche d'enseignement, là, tu vas observer directement la non linéarité contrainte/déplacement ainsi que des modes de rupture très différents qui dépendent de la qualité de ton bois.
j'ai complètement abandonné la modélisation par plaques composites, les résultats étaient dans les choux par rapport à la réalité. Je ne sais pas pour abaqus mais pour nastran les contraintes sont calculées par intégration des déplacements. Si la rigidité du modéle n'est pas pile poil la bonne et si tes éléments ne sont pas du 2ième ordre au moins (plaques à 8noeuds) le modèle ne sert plus à rien du tout, si ce n'est à faire de jolies couleurs pour impressionner ta copine :-)
ça m'interesse au plus haut point abaqus, pas tant pour les plaques mais pour explorer le non linéaire. quel est l'ouvrage dont tu parles à propos de abaqus et du bois ?

pour les efforts sur un trike : en virage, 0.8g en latéral, 4g en vertical (le tout au CG) en inclinant la poutre de façon à introduire de la flexion gauche dans le cadre.
je contrains en translation tantôt la roue avant, tantôt l'arrière, pour simuler une roue dans un nid de poule. Ce sont mes hypothèses que j'ai pu valider au fur et à mesure, non pas en les mesurant, mais en construisant du trop solide par rapport à des hypothèses de départ trop contraignantes.

il me semble que la norme ENmachinchose est super légère et complètement à côté de la plaque pour la transposer sur un tricycle. (de mémoire je me souviens avoir lu les valeurs de test pour une fourche de velo droit) tu as acheté cette norme ? ça vaut vraiment le coup ou je me trompe ?

Ca me rassure de voir que je ne suis pas le seul à penser que Solidworks donne des résultats incohérents...dans certains cas  

Pour l'accélération maximale, j'avais calculé vite fait 4-5G, là aussi ça me rassure de voir que je ne suis pas seul à penser ça...

Pour la rupture par flambement, je suis d'accord avec toi c'est une préoccupation dont il faut tenir compte... et là encore je suis surpris des résultats calculés par Solidworks qui semblent tout sauf fiables   (pas regardé avec Abaqus). Selon Solidworks je n'ai aucun flambage à attendre   

J'attends d'avoir terminé la conception du cadre comprenant les bras avant, les pattes arrières, et la structure de renforcement interne avant de relancer des calculs après les tests réels sur échantillon... ça m'en dira plus long sur la cohérence à attendre de tout ça.

Cela dit, quand je jette un oeil au cadre de VTT de chez Renovo, ou aux réalisations de Cdriko, même si je n'accorde pas une grande confiance aux simulations de Solidworks, je pense que des "peaux" de 3mm sur la structure isomachinchouette de Sheldrake sont une estimation réaliste et apporteront un bon compromis solidité/rigidité/poids.

La norme, vu le tarif, j'ai fait l'impasse sur l'achat, je l'ai trouvée sur le net. Effectivement, pas grand chose à en retirer pour un tricycle!

En ce qui concerne l'ouvrage sur Abaqus, je retrouve le titre exact, et si possible le lien de téléchargement, et je te file ça   

ah remarque que des peaux de 3mm sur la structure isogrid ça devrait être largement OK niveau flambement (j'avais mal lu et je pensais que tu avais des peaux beaucoup plus fines)

J'ai retrouvé le titre :

A method to model wood by using ABAQUS finite element software (Part 1 & 2) chez VTT publications qui publie pour le VTT Technical Research Centre of Finland


J'essaye de retrouver les liens   

génial ! merci !
http://r.duckduckgo.com/l/?kh=-1&uddg=http%3A%2F%2Fwww.vtt.fi%2Finf%2Fpdf%2Fpublications%2F2008%2FP687.pdf

Pour ceux qui auraient du mal avec le lien tel qu'indiqué dans le message précédent, vous pouvez peut-être utiliser celui-ci :
http://www.vtt.fi/inf/pdf/publications/2008/P687.pdf
Bonne lecture..

ça me semble plus aproprié à du calcul en architecture: évaluer le fluage d'une charpente chargée dans le temps et soumise à des variations de temp et d'humidité, complètement irrelevant dans le cas d'un longeron à âme et semelles minces, complètement étanche, et soumis à des contraintes alternées brèves.

Bah je sais pas, je l'ai pas encore lu... juste le début   
Je collecte en masse et je fais un tri après....

Je vais farfouiller chez eux à l'occasion, ils ont peut être mieux?

Le problème de la construction bois c'est grande majorité des ouvrages n'abordent pas le domaine de la simulation   

Mais bon, je ne m'arrête pas trop là dessus, je cogite sur la suite des choses :

1°) la structure interne en elle même : dans sa forme actuelle elle est plus performante que des couples classiques orientés à angle droit, ces derniers étant moins efficaces pour rigidifier latéralement la coque, mais elle a pour inconvénient un surcroit de travail, vu que les couples vont nécessiter une découpe et un ajustement plus compliqué que des couples à angle droit (à moins de renoncer au congé arrondi).

2°) je réfléchis également la fabrication de la coque : si je suis passé de l'idée du lamellé collé évidé comme Renovo au moulé-collé en feuilles de placage tranché, je me demande si l'utilisation de contreplaqué fin (précintré avant collage) ne serait pas judicieuse : de nombreux modélistes le cintrent pour les bords d'attaque sans soucis, avec des rayons de courbure plus prononcés que sur ma conception.

Là encore, la construction de l'éprouvette m'apportera certaines réponses.

3°) la fixation des pattes arrières

4°) le train avant pour lequel je songe à une comparaison avec la voilure d'un avion (clé d'aile)

Encore pas mal de réflexion en perspective quoi