Réponse dynamique de plaques circulaires sandwich à gradient bidirectionnel soumises à des chargements explosives répétés

Pourquoi il est important de protéger les structures fines contre les explosions

Des véhicules blindés et des navires de guerre aux trains à grande vitesse et aux engins spatiaux, de nombreuses machines critiques s’appuient sur des peaux métalliques fines pour assurer la sécurité des personnes. Ces peaux sont souvent conçues sous forme de plaques « sandwich », avec des peaux extérieures solides et une âme légère entre les deux. Si les concepteurs se concentrent généralement sur la survie d’une seule explosion puissante, les menaces réelles surviennent rarement une seule fois. Cette étude explore comment un nouveau design sandwich inspiré de la nature peut mieux résister à des explosions répétées sans ajouter de poids supplémentaire.

La feuille d’une fleur comme modèle de protection

Les chercheurs se sont inspirés du nénuphar géant (Royal Water Lily), dont les grandes feuilles supportent des charges importantes grâce à un réseau astucieux de nervures. Ils ont transposé ce motif naturel en une plaque sandwich circulaire en métal : deux peaux fines en aluminium séparées par une âme de type nid d’abeille. L’élément clé est que l’âme n’est pas uniforme. Les parois cellulaires s’épaississent ou s’amincissent progressivement dans deux directions — à la surface de la plaque et à travers son épaisseur — formant ce que les auteurs appellent un gradient bidirectionnel. Quatre configurations de gradient ont été conçues en faisant varier l’épaisseur des parois du nid d’abeille près du centre par rapport au bord, et près de la face avant (exposée à l’explosion) par rapport à l’arrière.

Simuler des explosions répétées sur ordinateur

Plutôt que des essais explosifs physiques, l’équipe a utilisé des simulations numériques avancées avec le code d’éléments finis ABAQUS/Explicit. Ils ont modélisé une plaque circulaire encastrée, située à 200 millimètres de petites charges sphériques de TNT de 15, 25 et 35 grammes. Une formule standard d’onde de souffle a converti chaque masse de TNT et la distance en une pression variable dans le temps appliquée sur la peau avant, reproduisant les ondes de choc réelles. Chaque plaque virtuelle a été soumise à jusqu’à six explosions distinctes. Après chaque souffle, la déformation résiduelle et les dommages internes sont devenus le point de départ pour le suivant, permettant aux chercheurs de suivre les dommages cumulatifs et la façon dont la plaque se raidit progressivement à mesure que l’âme se comprime.

Comment la plaque se plie et absorbe l’énergie

Les simulations ont confirmé une réponse en trois étapes : d’abord, la peau avant est frappée et accélérée rapidement ; ensuite, l’âme est comprimée entre la peau avant en mouvement et la peau arrière immobile ; enfin, l’ensemble de la plaque se déplace conjointement puis ralentit lentement à mesure que le métal se plie et s’étire de façon permanente. À chaque nouvelle explosion, la flèche de la peau arrière augmente, mais l’ampleur supplémentaire de flexion apportée par chaque souffle diminue. Cela s’explique par le fait que l’âme en nid d’abeille se broie et se densifie progressivement, se transformant en une couche plus rigide qui absorbe davantage d’énergie incidente avant qu’elle n’atteigne l’arrière. Les plaques dont la densité de l’âme augmentait vers le bord et de la face exposée à l’explosion vers l’arrière ont généralement montré des défléchissements arrière plus faibles, c’est‑à‑dire une meilleure résistance aux explosions sous charges répétées.

Compromis de conception entre gradients et épaisseur des peaux

Le gradient bidirectionnel de l’âme s’est avéré être un levier de conception puissant. Sans changer la masse totale, le simple réarrangement des emplacements de matériau d’âme plus épais ou plus fin modifiait sensiblement à la fois la déflexion maximale et l’absorption d’énergie totale. Certaines configurations minimisaient la flexion arrière, tandis que d’autres maximisaient la quantité d’énergie d’explosion que la structure pouvait dissiper, en particulier après plusieurs explosions. Les auteurs ont également testé la redistribution de l’épaisseur entre les peaux avant et arrière tout en conservant la même masse métallique totale. Un cas particulièrement prometteur réduisait l’épaisseur de la peau avant et épaississait l’arrière. Cet ajustement augmentait l’absorption d’énergie totale d’environ 30 % après six explosions, tout en laissant la déflexion finale de la face arrière presque inchangée, offrant une meilleure protection sans poids supplémentaire.

Ce que cela signifie pour des véhicules et structures plus sûrs

En termes simples, ce travail montre que la manière dont on « empile » le métal à l’intérieur d’une plaque sandwich importe autant que la quantité de métal utilisée. En graduant l’âme en nid d’abeille dans deux directions et en ajustant intelligemment l’épaisseur des peaux avant et arrière, les ingénieurs peuvent concevoir des panneaux capables de supporter de nombreuses explosions, pas seulement une. La bonne combinaison permet de protéger la face à préserver contre des déformations excessives tout en faisant de l’âme une éponge sacrificielle d’énergie. Ces résultats fourniront des orientations pratiques pour concevoir des peaux résistantes aux explosions, plus légères et plus robustes, pour véhicules militaires, bâtiments de protection, navires et engins spatiaux exposés à des chocs et impacts répétés.

Citation: Wang, H., Liu, Y., Lei, J. et al. Dynamic response of bi-directional gradient sandwich circular plates under multiple explosive loading. Sci Rep 16, 6056 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36360-1

Mots-clés: panneaux sandwich résistants aux explosions, âme en nid d’abeille à gradient, chargement par explosions répétées, structures d’absorption d’énergie, conception structurale inspirée du vivant