Evaluation Experimentale Et Numerique Des Endommagements D Une Structure Composite Sous Impact Pour Une Large Gamme De Vitesses Et D Energies
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Evaluation expérimentale et numérique des endommagements d'une structure composite sous impact pour une large gamme de vitesses et d'énergies
Author: Roger Pierre Lemanle Sanga (docteur en génie mécanique).)
language: fr
Publisher:
Release Date: 2019
Les matériaux composites utilisés dans l'industrie aéronautique sont très souvent à base de fibres de carbone et de résine époxyde. L'utilisation de nouvelles résines implique une étude constante des critères de dimensionnement mécanique de ces matériaux. Certains de ces critères basés sur la durabilité et la résistance aux sollicitations en dynamique rapide sont faits via des études expérimentales très coûteuses. Le recours à la simulation numérique est d'une importance particulière et apporte un gain financier conséquent. Dans cette étude, nous évaluons à l'aide des expériences et de la modélisation numérique, le comportement à l'impact des structures composites. Notre attention est portée sur le composite à base de tissus de carbone haute résistance G0926 et de la résine époxyde SR1710. Les plaques composites sont fabriquées par infusion de résine liquide suivant la séquence d'empilement [[0/45]3]s puis, soumises à des impacts basse vitesse basse énergie (BV/BE) et des impacts haute vitesse haute énergie (HV/HE). La mise en évidence des endommagements de surface (indentation résiduelle) à l'aide du système ATOS-TRITOP et des endommagements internes (zone délaminée) par la thermographie infrarouge permet d'observer un comportement à l'impact fortement lié à la fois au type d'impact et à l'énergie d'impact. Des tests de compression après impact (CAI) montrent également une variabilité de la résistance mécanique résiduelle liée aux types et énergies d'impact. Des modèles numériques d'impact (2D et 3D) sur le code éléments finis ABAQUS ont ensuite été développés. Les modèles d'impact 3D basés sur lois cohésives avec des critères d'initiation des contraintes quadratiques et les critères énergétiques de propagation de Benzeggagh-Kenane permettent de prédire avec satisfaction les délaminages observés lors des expériences.
Prévision des dommages d'impact basse vitesse et basse énergie dans les composites à matrice organique stratifiés
Afin de mieux comprendre et de mieux quantifier la formation des dommages d'impact et leurs conséquences sur la tenue de la structure composite, le recours à la simulation numérique semble être un complément indispensable pour enrichir les campagnes expérimentales. Cette thèse a pour objectif la mise au point d'un modèle d'impact pour la simulation numérique par éléments finis dynamique implicite, capable de prévoir les dommages induits.La première étape du travail a consisté à élaborer un modèle s'appuyant sur le modèle de comportement du pli « Onera Progressive Failure Model » (OPFM) et sur le modèle bilinéaire de zones cohésives proposé par Alfano et Crisfield, puis d'évaluer la sensibilité aux différentes composantes des lois de comportement de la réponse à un impact et des dommages prévus. Des essais d'impact et d'indentation sur des plaques stratifiées en carbone/époxy ont ensuite été réalisés, analysés et enfin confrontés aux résultats numériques, afin d'évaluer les performances à l'impact du modèle OPFM et ses limites.Ces travaux permettent d'aboutir à trois principales conclusions. Premièrement, l'usage de modèles de zones cohésives semble nécessaire pour prévoir la chute de force caractéristique de l'impact sur stratifiés. Deuxièmement, la prise en compte des contraintes hors plan, notamment les cisaillements, est indispensable pour prévoir correctement l'endommagement d'impact. Enfin, si le modèle OPFM est capable de prévoir qualitativement les dommages d'impact, l'absence de caractère adoucissant ou de viscoplasticité semble cependant limiter leur prévision quantitative.
Absorption d'énergie, résistance au crash et endommagement des composites tissés CFRP
L'un des défis majeurs de la simulation numérique de la résistance au crash des structures composites aéronautiques est de pouvoir prédire les endommagements, leur initiation, leur évolution au cours de l'écrasement, et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériaux. Le but de la thèse est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans l'écrasement des composites à renforts tissés taffetas (plain weave PW) fabriqués en ou hors autoclave à base d'Époxyde et de fibres de carbone et de développer un modèle numérique performant. Ce rapport présente une investigation numérique et expérimentale effectuée au sein du département de Génie Mécanique à l'Université Laval dans le cadre du projet CRIAQ Comp-410 "Impact Modeling of Composite Aircraft Structures" en collaboration avec l'Université de Waterloo, Bombardier Aerospace, Bell Helicopter, le conseil national de recherche du Canada et DRDC-Valcartier. L'objectif principal est de développer des méthodes de simulations numériques prédictives pour différentes vitesses de crash des composites tissés. La démarche consiste en deux grandes étapes, une étude du crash en quasi statique et une autre étude dynamique pour voir l'effet du taux d'endommagement. Des simulations numériques avec des modèles de comportements existants dans les codes commerciaux éléments finis ont été effectuées afin de déceler les avantages et les inconvénients de chaque modèle, ensuite, un nouveau modèle 3D est développé pour tenir compte principalement, du délaminage, de la fragmentation, des bandes de pliage, de l'inélasticité et de l'endommagement. En parallèle, un plan expérimental est mis en œuvre pour la validation des différents modèles numériques et pour faire une étude paramétrique des différents paramètres influents, tels que, la forme des sections des éprouvettes, les initiateurs de crash, l'effet de l'échelle des éprouvettes et les séquences d'empilement. La mise en œuvre d'un modèle mathématique performant pour prédire le comportement mécanique des structures composites soumises au crash est une lourde tâche avec de multiples paramètres de matériaux et mécanismes de déformation à prendre en considération. Cette thèse peut être considérée comme une nouvelle contribution à l'avancement de la compréhension du processus d'endommagement lors du crash des matériaux composites. Le nouveau code numérique éléments finis développé a été validés expérimentalement et une étude de sensibilité des paramètres a été effectuée pour mesurer l'effet et le degré d'influence de chaque paramètre sur la précision de la solution finale.