A31 Limites dendurance de lexosquelette

Topique

L'exosquelette de l'insecte est la structure qui doit résister à toutes les contraintes mécaniques auxquelles son corps est soumis. Ces contraintes sont de nature diverse : les pattes subissent une compression axiale lorsqu'elles supportent le poids du corps, les antennes et autres appendices sont soumis à une torsion, et les ailes et segments corporels à une flexion.

Pour déterminer à partir de quel moment l'une de ces contraintes endommage irréversiblement l'exosquelette, le critère de von Mises combine les différentes contraintes agissant sur le matériau en une valeur unique et prédit que la déformation plastique irréversible débute précisément lorsque cette combinaison de contraintes dépasse la limite d'élasticité du matériau.

Cependant, cette limite d'élasticité n'est pas le seul mode de défaillance de l'exosquelette : le flambage d'Euler est un mode de défaillance particulièrement critique pour les structures fines de l'insecte, telles que ses pattes très longues et élancées, qui peuvent se rompre par flambage – c'est-à-dire se plier brusquement d'un côté – sous des charges bien inférieures à celles qui provoqueraient la rupture du matériau à sa limite d'élasticité. Contrairement à ces deux modes de défaillance, au sein de l'exosquelette, ce sont les articulations de l'insecte qui fonctionnent avec une marge de sécurité relativement faible : la charge provoquant la rupture d'une articulation ne représente généralement qu'une fois et demie à trois fois la charge réelle qu'elle doit supporter en utilisation normale. Cette marge reflète le compromis évolutif entre la légèreté de l'exosquelette et sa robustesse suffisante pour éviter toute défaillance.

Une partie de cette marge de sécurité provient cependant non pas de la conception de la structure, mais d'un processus se déroulant au sein même du matériau de l'exosquelette : lors de la sclérotisation qui durcit l'exosquelette immédiatement après chaque mue, ce dernier se durcit dans sa configuration déployée, et ce durcissement emprisonne des contraintes de compression résiduelles au sein du matériau. Ces contraintes de compression résiduelles agissent comme une précontrainte bénéfique : au lieu de s'ajouter aux charges externes, elles diminuent les charges de traction que l'exosquelette subit de l'extérieur, augmentant ainsi sa résistance effective à ces charges de traction externes.

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