The use of ANSYS to calculate the behaviour of sandwich structures

In this article, we use different models to compute displacements and stresses of a simply supported sandwich beam subjected to a uniform pressure. 8-node quadrilateral elements (Plane 82), multi-layered 8-node quadrilateral shell elements (Shell 91) and multi-layered 20-node cubic elements (Solid 46) are used. The influence of mesh refinement and of the ratio of Young's moduli of the layers are studied. Finally, a local Reissner method is presented and assessed, which permits an improvement in the accuracy of interface stresses for a high ratio of Young's moduli of the layers with Plane 82 elements

Comportement statique et dynamique d'assemblages collés de composites stratifiés

L assemblage des matériaux composites par collage présente des avantages incontestés par rapport à d autres méthodes telles que le boulonnage ou le rivetage. Cependant, la principale difficulté rencontrée alors est de prévoir le niveau et le mode de rupture de ces assemblages. Le comportement de joints collés à simple recouvrement de stratifiés carbone/époxyde est ainsi étudié sous chargement statique et dynamique. Le développement d une machine d essai à partir d une tour de chute permet de réaliser des impacts en traction sur les joints, à des vitesses comprises entre 1 et 4 m/s. Pour cela, un montage de traction choc est conçu et instrumenté. Une interface utilisateur est développée afin d assurer la commande de la machine, l acquisition et le traitement des données. A partir des expérimentations, l objectif est d étudier l influence des propriétés locales (orientation des plis proches de l interface) et globales (rigidité de membrane et de flexion) des stratifiés sur le comportement des joints collés. La démarche proposée est de séparer ces différents paramètres lors de la conception des stratifiés. Ceci a été rendu possible grâce aux méthodes de dimensionnement des stratifiés développées au laboratoire. Deux stratifiés quasi-isotropes quasi-homogènes permettent ainsi l étude de l influence des propriétés locales, tandis que deux stratifiés orthotropes (le premier orthotrope en membrane isotrope en flexion, et le deuxième orthotrope en flexion isotrope en membrane) permettent l étude des propriétés globales. Finalement, les résultats issus des essais quasi-statiques et des essais d impact sont comparés afin d évaluer l influence de la vitesse de sollicitation.Adhesive bonding of composite materials has undeniable advantages compared to other joining techniques such as bolting or riveting. However, the main difficulty encountered in this case is to accurately predict the failure level and failure mode of these joints. The behaviour of single lap adhesively bonded joint of carbon/epoxy laminates is then investigated under both static and dynamic loading. The development of a specific test device, from an existing falling weight machine, allows testing the joints under impact in tension, at velocities up to 4 m/s. Accordingly, an impact tension assembly is designed and instrumented. A user interface is created in order to control the machine, acquire the signals and process the data. On the basis of these experiments, the objective is to investigate the influence of laminates local parameters (ply orientations at the interfaces) and global parameters (in-plane and bending stiffness) on the joints behaviour. The suggested method is to separate these parameters when designing the laminates. It has been made possible thanks to the design methods developed at the laboratory. Two quasi-isotropic quasi-homogeneous laminates thus allow emphasizing the influence of local parameters, whereas two orthotropic laminates (the first one orthotropic in membrane isotropic in bending, and the second one orthotropic in bending isotropic in membrane) are used to study the global parameters. Finally, results from static and impact tests are compared in order to assess the joints rate sensitivity.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Approche expérimentale et numérique de la rupture des assemblages collés de composites stratifiés

L assemblage des matériaux composites par collage présente des avantages incontestés par rapport à d autres méthodes telles que le boulonnage ou le rivetage.Cependant, la principale difficulté que rencontrent les concepteurs est celle de la prévision du niveau et du mode de rupture de ces collages. Dans le cas des composites stratifiés, un des facteurs influents sur le comportement des joints collés est la séquence d'empilement, mais les travaux présentés dans la littérature ne séparent pas les effets globaux (modification des rigidités de membrane et de flexion) et les effets locaux (orientation des plis au contact de la colle). La présente étude s'intéresse à la caractérisation de ces effets dans le cas de joints de type simple recouvrement de stratifiés carbone/epoxy. Pour isoler les effets locaux, des séquences d'empilement spécifiques quasi isotropes quasi homogènes sont utilisées. A propriétés de raideur globale égales, des différences de résistance de plus de 30% sont observées selon les séquences considérées. Les essais réalisés avec un stratifié symétrique anisotrope en flexion montrent également que la raideur en flexion joue un rôle important dans le comportement des joints. Les modèles analytiques utilisés prédisent les effets globaux avec une bonne précision mais sont inappropriés lorsque des phénomènes locaux se produisent. Une approche par éléments finis permet de prendre en compte ces phénomènes, en modélisant explicitement les plis au contact de la colle et en rendant possible le décollement interlaminaire de ces plis à l'aide d'un modèle de zone cohésive. Cette modélisation est mise en œuvre pour réaliser une étude paramétrique de la géométrie du joint et pour produire une enveloppe de rupture en fonction de la direction de sollicitation.Adhesive bonding of composite materials has undeniable advantages over other methods such as bolting or riveting. However, one of the difficulties encountered by designers is the prediction of the failure level and failure mode of these adhesively bonded assemblies. In the case of composite laminates, one of the factors acting on the bonded joint behaviour is the stacking sequence, but works presented in the literature do not separate global effects (membrane and bending stiffness modification) and local effect (ply orientation near the adhesive layer). This study deals with the characterization of such effects in the case of single lap joints of carbon/epoxy laminates. In order to isolate the local effects, specific quasi isotropic quasi homogeneous stacking sequences are used. When stiffness properties are maintained constant, strength variations of more than 30 % are observed. Tests performed with a symmetric laminate with bending anisotropy show that the bending stiffness plays also an important role in the joint behaviour. Closed form models are able to predict global effects with a good accuracy but are inappropriate when local effects occur. The use of finite element models can account for these phenomena, by explicitly modelling the laminate plies near the adhesive layer and introducing delamination between these plies with a cohesive zone model. This model is used to perform a parametric study of the joint geometry and to produce a failure envelope according to the orientation of the loading.DIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Design and optimization of composite laminates repaired by bonding external patches

International audienceno abstrac

Design and optimization of composite laminates repaired by bonding external patches

International audienceno abstrac

Tensile behaviour of anti-symmetric CFRP composite

This paper addresses the response of a 17-ply anti-symmetric carbon/epoxy composite subjected to uniaxial tensile loading. Hashin ply damage model is adopted to describe the damage behaviour of the plies, whereas damage initiation and progression of the interfaces are characterised by mixed-mode cohesive damage model. Force displacement curves obtained numerically and experimentally show good agreement. Results show that all laminae and interfaces experience the damage except laminae with 0 o fibre. In addition, damage is concentrated at the tab and central regions of the tensile specimen. Edge delamination is observed in all interfaces

Contribution to the study of impact damage on composite laminates (the effect of hygrothermal ageing and preloading)

Ce travail a pour but d'étudier la tolérance à l'impact de 3 stratifiés carbone/époxy soumis simultanément à différents types de chargements hygrothermiques et mécaniques. Ces stratifications présentant des caractéristiques mécaniques globales particulières d'isotropie, il s'agit ici de déterminer l'influence de la séquence d'empilement sur le développement de l'endommagement lors d'un impact. Dans un premier temps, la cinétique de vieillissement hygrothermique des trois stratifications est étudiée et analysée. Ensuite, leur tolérance à un unique impact ainsi qu'à des impacts répétés est évaluée. L'endommagement résultant de ces impacts est analysé par contrôle ultrasonore. La morphologie générale et l'amplitude de l'endommagement dans la profondeur des matériaux sont mises en relation avec les propriétés mécaniques et la séquence d'empilement spécifique à chaque stratifié. Dans un deuxième temps, l'influence combinée de plusieurs sollicitations est étudiée. Différents scénarii associant un vieillissement hygrothermique ainsi qu'un ou deux impacts sont mis en oeuvre. L'endommagement résultant est mis en rapport avec les temps relatifs de vieillissement et la position des impact durant le cycle de vieillissement. Ensuite, l'influence d'une précharge de traction sur la tolérance à l'impact est mise en évidence. Un montage spécifique a été conçu et fabriqué pour réaliser ces tests. Enfin, l'association d'un vieilllissement hygrothermique et d'une précharge de traction est abordée afin d'identifier la sollicitation la plus pénalisant en terme de tolérance et d'impactThis study examines impact damage processes in three types of CFRP composite materials simultaneously subjected to different hygrothermal and mechanical loading conditions. The composite structures tested are chosen for having particular global isotropic responses when loaded, the aim being to ascertain the exact influence of lay-up sequence on impact damage propagation. The work is presented in four main sections. Firstly by establishing hygrothermal ageing dynamics for the three composite structure types and their behaviour when impacted once or several times ; impact damage is measured and analysed using ultrasonic method. The extent and general morphology of the damage through the material thickness is correlated with mechanical properties and lay-up sequence specific to each material. Secondly the influence of simultaneous load combinations is examined. These include different durations of hygrothermal ageing associated with single or double impacts.The resulting damage incurred is analysed with respect to overall ageing time and time during the ageing cycle when the impact was applied. Thirdly the effect of tensile loading during impact on damage within the material was studied. This was achieved using a specially designed test apparatus that allows loading and impacting conditions to be independently modified. By associating a high-speed digital camera to film specimen impacts it is possible to evaluate a relationship between overall composite specimen stiffness and the impact damage. Finally, in order to identify the most unfavourable situation with regard to impact damage resistance an association between hygrothermal ageing and an applied tensile load is examinedDIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Numerical simulation of mode I delamination of multidirectional composites with fibre bridging effect

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Experimental study of the crush efficiency of flax/epoxy and carbon/epoxy composite tubes for energy absorption systems

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Etude et optimisation de la réparation des composites stratifiés par collage des patchs externes

L étude réalisée dans le cadre de cette thèse représente une recherche sur la durabilité de la réparation par collage de patchs externes de structures composites endommagées. Le comportement des réparations sollicitées en traction a été étudié. Les approches expérimentale et numérique ont été réalisées. La qualité et la répétitivité des réparations dépendent fortement du savoir-faire employé durant leur mise en œuvre. A ce titre, un protocole de fabrication précis a été établi et validé. Ce protocole a ensuite été appliqué strictement dans l ensemble de l étude. L effet de la géométrie des patchs sur la performance des réparations en traction a été discuté. De plus, deux séries de patchs présentant des rigidités de membranes et des séquences d empilement différentes ont été testées. Pratiquement, plusieurs méthodes de contrôle ont été appliquées pour localiser l initiation de l endommagement et suivre son évolution jusqu à la rupture final. L observation des scénarios d évolution de l endommagement a conduit à proposer trois modèles phénoménologiques permettant l élaboration et la validation d un modèle numérique.Le modèle numérique proposé a été validé grâce à la corrélation avec les résultats expérimentaux. Ensuite, ce modèle a été appliqué pour réaliser une étude paramétrique. Les résultats obtenus ont permis de proposer un modèle d aide à la conception et à l optimisation des structures composites réparées. Ce modèle fournit des informations intéressantes sur la meilleure combinaison des paramètres de réparation à utiliser.The study in this thesis represents research on the durability of the repair of damaged composite structures by bonding external patches. The behaviour of the remedies sought in tension was investigated. The experimental and numerical approaches have been made.The quality and repeatability of repairs depends heavily on skills used during their installation works. As such, a specific manufacturing protocol was established and validated. This protocol was then applied strictly throughout the study. The effect of patch geometry on the performance of repair in tension has been discussed. In addition, two sets of patches with the different membrane stiffness and stacking sequences were tested. Practically, several control methods were applied to locate damage initiation and follow its evolution until the final rupture. Observing damage evolution scenarios has led to propose three phenomenological models for the development and validation of a numerical model.The proposed numerical model has been validated through correlation with experimental results. Then, this model was applied to perform a parametric study. The results obtained allowed to propose a model to help design and optimization of repaired composite structures. This model provides interesting information on the best combination of repair settings.DIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF