A method to determine composite material residual tensile strength in the fibre direction as a function of the matrix damage state after fatigue loading

The phenomenon of residual strength in composite laminates after fatigue loading has been studied for decades but is generally expressed as a function of the number of cycles applied to the specimens. henomenological laws deduced from these tests are therefore loading dependent and identifying a valid model for any loading condition of a given laminate requires long fatigue testing campaigns. To overcome this difficulty, a testing procedure is proposed to express the residual tensile strength of a unidirectional ply in the fibre direction, as a function of its matrix damage. The resulting behaviour is then independent of the imposed loading and can be etermined by only a few fatigue tests. Experimental results obtained on glass-epoxy non-crimp fabric laminates are presented and analysed

Role of the damage on the fatigue life of composite laminates : application to the design of wind turbine blades

L’objet de cette thèse est de proposer et d’identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l’échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l’évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l’étude les mécanismes d’endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d’endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d’endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d’endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul EFThe purpose of this thesis is to propose and identify a model of mechanical fatigue behavior written for the lamina level. The model would be able to predict damage evolution but also residual strength. Studied materials are bi or tri axial glass fibre reinforced plastics fabrics. This work excluded joints areas where out of plane stresses generate strong coupling between intra and inter laminar damage. The main goals of the thesis are: - Identify on the material of the study damage mechanisms and their coupling in quasi-static and fatigue - Characterize and model residual stiffness caused by damage mechanisms - Characterize and model fatigue damage - Characterize and model residual strength caused by damage mechanisms - Implement and test the proposed model (or the one chosen in the literature and changed if necessary) in a computer FE cod

Rôle de l'endommagement sur la durée de vie en fatigue des matériaux composites stratifiés : application au domaine éolien

The purpose of this thesis is to propose and identify a model of mechanical fatigue behavior written for the lamina level. The model would be able to predict damage evolution but also residual strength. Studied materials are bi or tri axial glass fibre reinforced plastics fabrics. This work excluded joints areas where out of plane stresses generate strong coupling between intra and inter laminar damage. The main goals of the thesis are: - Identify on the material of the study damage mechanisms and their coupling in quasi-static and fatigue - Characterize and model residual stiffness caused by damage mechanisms - Characterize and model fatigue damage - Characterize and model residual strength caused by damage mechanisms - Implement and test the proposed model (or the one chosen in the literature and changed if necessary) in a computer FE codeL’objet de cette thèse est de proposer et d’identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l’échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l’évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l’étude les mécanismes d’endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d’endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d’endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d’endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul E

Rôle de l'endommagement sur la durée de vie en fatigue des matériaux composites stratifiés : application au domaine éolien

The purpose of this thesis is to propose and identify a model of mechanical fatigue behavior written for the lamina level. The model would be able to predict damage evolution but also residual strength. Studied materials are bi or tri axial glass fibre reinforced plastics fabrics. This work excluded joints areas where out of plane stresses generate strong coupling between intra and inter laminar damage. The main goals of the thesis are: - Identify on the material of the study damage mechanisms and their coupling in quasi-static and fatigue - Characterize and model residual stiffness caused by damage mechanisms - Characterize and model fatigue damage - Characterize and model residual strength caused by damage mechanisms - Implement and test the proposed model (or the one chosen in the literature and changed if necessary) in a computer FE codeL’objet de cette thèse est de proposer et d’identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l’échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l’évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l’étude les mécanismes d’endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d’endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d’endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d’endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul E

Ply scale fatigue damage model contribution to wind turbine blade design optimisation

L’optimisation du dimensionnement en fatigue des structures en matériaux composites est aujourd’hui limité par les approches traditionnelles utilisées, dérivées des connaissances sur les métaux. D’autres approches décrivant les mécanismes d’endommagement des matériaux composites existent mais ne peuvent pas toujours s’appliquer à l’échelle de la structure en raison de leur complexité. Des hypothèses peuvent cependant être faites dans le cas de structures de types poutres pour appliquer ce type d’approche à l’échelle des sections. Dans ces conditions, cet article propose de comparer un modèle d’endommagement en fatigue basé sur la description de l’endommagement des stratifiés à l’échelle mésoscopique et l’approche normative pour dimensionner une section de pale d’éolienne. Il apparait alors, que les hypothèses prises par l’approche normative sont fortement conservatives et que le modèle d’endommagement donne de nombreuses informations utiles pour analyser la conception à l’échelle de la structure.Fatigue design optimization of structures made in composite materials is limited by the classical approaches used, derived from the knowledge on metallic material fatigue. Other approaches describing damage mechanisms of composites exist but cannot always be applied at the structure scale because of their complexity. However, assumption can be made in the case of beam structures to reduce the structural investigation at the section scale. With these assumptions this paper proposes to compare a progressive fatigue damage model written at the ply scale to the normative approach for the assessment of wind turbine blade section design. It is shown that the normative approach is very conservative and the progressive fatigue damage model gives very useful information to understand the damage propagation at the structure scale

Ply scale modelling of the quasi-static and fatigue behaviours of an acrylic-thermoplastic-matrix and glass-fibre-reinforced laminated composite covering the service temperature range of wind turbine blades

In this study, a model formulated at the ply scale was considered to describe the mechanical behaviour of an acrylic-thermoplastic-matrix and glass-fibre-reinforced laminated composite under monotonic tensile and fatigue loadings within a temperature range of −20 °C to +60 °C. This study showed that the temperature dependency of the composite transverse and off-axis mechanical behaviour could be determined concisely, by considering only the temperature dependency of the matrix initial elastic properties and keeping the parameters of the damage evolution laws constant. This is a relevant result for designing composite structures with a limited set of experimental data

Characterisation of the visco(elasto-plastic damageable behavior of a glass/epoxy composite for the prediction of its service life

Les composites verre/époxy utilisés dans les pales d’hydroliennes sont extrêmement sollicités en fluage et en fatigue. Etant en contact permanent avec l’eau, ils subissent par ailleurs un vieillissement hydrique. Il s’agit donc dans cette étude d’étudier les couplages entre les effets visqueux décrits par des essais de fluage, dynamiques via des tests de fatigue et les dégradations induites par le vieillissement. Les tests de fluage montrent que l’élasto-visco-plasticité du matériau est causée par la matrice. Les paramètres d’une loi rhéologique de fluage à base thermodynamique sont identifiés pour caractériser le comportement du composite soumis à une sollicitation constante. Des essais de fatigue réalisés à différents rapports de charges et fréquences montrent que la rupture du composite ne dépend pas de la fréquence lorsque la contrainte moyenne appliquée est faible. Pour un grand rapport de charge, à de faibles fréquences, l’endommagement est piloté par le fluage tandis que les effets dynamiques conduisent à une ruine prématurée de la structure à hautes fréquences. Enfin, le composite vieilli se déforme bien plus en fluage que le matériau sain. L’objectif final est d’enrichir les modèles existants pour prendre en compte tous ces effets.Fatigue and creep phenomena are extremely present for glass/epoxy composites used in turbine blades. Being permanently in contact with water, there is also a water ageing effect. The aim of this study is to analyze the interactions between viscous effectsfrom creep tests, dynamic ones via fatigue experiments and damages induced by water ageing. Creep tests show that the elasto-visco-plastic behavior of the composite material is due to the matrix. The parameters of a rheological law based on thermodynamic considerations are identified in order to characterize the behavior of a composite under a constant stress.Fatigue tests are performed at different stress levels and frequencies and show that the rupture of the composite does not depend on the frequency when the applied stress is small. For big applied stress, at low frequencies, the damages are due to the creep effects whereas dynamic effects lead to the degradation of the structures at high frequencies. Moreover, the comparison of the creep data for composites after a few months of water ageing and the normal ones shows that the water ageing induce much more important strains. The final objective is to improve the existing models to take into account these effects

Etude du comportement visco-élasto-plastique endommageable d'un composite verre/époxy pour la prévision de la durée de vie

International audienceFatigue and creep phenomena are extremely present for glass/epoxy composites used in turbine blades. Being permanently in contact with water, there is also a water ageing effect. The aim of this study is to analyze the interactions between viscous effectsfrom creep tests, dynamic ones via fatigue experiments and damages induced by water ageing. Creep tests show that the elasto-visco-plastic behavior of the composite material is due to the matrix. The parameters of a rheological law based on thermodynamic considerations are identified in order to characterize the behavior of a composite under a constant stress.Fatigue tests are performed at different stress levels and frequencies and show that the rupture of the composite does not depend on the frequency when the applied stress is small. For big applied stress, at low frequencies, the damages are due to the creep effects whereas dynamic effects lead to the degradation of the structures at high frequencies. Moreover, the comparison of the creep data for composites after a few months of water ageing and the normal ones shows that the water ageing induce much more important strains. The final objective is to improve the existing models to take into account these effects.Les composites verre/époxy utilisés dans les pales d’hydroliennes sont extrêmement sollicités en fluage et en fatigue. Etant en contact permanent avec l’eau, ils subissent par ailleurs un vieillissement hydrique. Il s’agit donc dans cette étude d’étudier les couplages entre les effets visqueux décrits par des essais de fluage, dynamiques via des tests de fatigue et les dégradations induites par le vieillissement. Les tests de fluage montrent que l’élasto-visco-plasticité du matériau est causée par la matrice. Les paramètres d’une loi rhéologique de fluage à base thermodynamique sont identifiés pour caractériser le comportement du composite soumis à une sollicitation constante. Des essais de fatigue réalisés à différents rapports de charges et fréquences montrent que la rupture du composite ne dépend pas de la fréquence lorsque la contrainte moyenne appliquée est faible. Pour un grand rapport de charge, à de faibles fréquences, l’endommagement est piloté par le fluage tandis que les effets dynamiques conduisent à une ruine prématurée de la structure à hautes fréquences. Enfin, le composite vieilli se déforme bien plus en fluage que le matériau sain. L’objectif final est d’enrichir les modèles existants pour prendre en compte tous ces effets