Développement d'une stratégie d'identification d'un nouveau modèle de zones cohésives adapté à l'étude du délaminage dans les composites stratifiés

International audienceLe délaminage est l'un des endommagements les plus critiques en terme de tenue mécanique des structures en composites stratifiés. Afin de prédire ce mécanisme d'endommagement, les modèles de zones cohésives semblent être l'approche la plus adaptée. Dans une première partie, les points essentiels d'un modèle de zones cohésives pour décrire le délaminage dans un stratifié carbone/époxy sont mis en évidence dans le but de proposer un nouveau modèle de zones cohésives plus adapté. Puis dans une seconde partie, une stratégie d'identification originale est proposée. Cette dernière s'appuie (i) sur une procédure expérimentale sur des cornières afin d'identifier le critère d'amorçage et (ii) sur un essai original de traction sur plaque rainurée pour déterminer le critère de propagation. Ces deux procédures permettent également d'identifier les différents critères en fonction du niveau d'endommagement intralaminaire

Global digital image correlation up to very high temperatures with grey level corrections

International audienceThe characterisation of high temperature materials for extreme environment implies experimental challenges. Displacement measurements using Digital Image Correlation (DIC) have proven to be an efficient non-contact method even at high temperatures. This paper uses global DIC and grey level corrections to analyse very high temperature tests in which inversion of the grey level distribution may occur. The benefits of grey level corrections are shown on a coated ceramic matrix composite heated up to 1400°C. The inversion of the grey level distribution is then accounted for to study various ceramics subjected to temperatures up to 1860°C

Sur la complémentarité des approches expérimentales et numériques pour la modélisation des mécanismes d'endommagement des composites stratifiés

Structures designed in laminated composites are technological solutions more and more retained by the industrialists and more particularly by the aeronautical industry. Indeed, their specific mechanical properties make organic matrix composites an interesting alternative to metallic materials. Moreover, these materials are considered to be not very sensitive to fatigue and it is possible, depending on the choice of layering, to obtain mechanical properties adapted to the stress of the part. After a phase of introduction of these materials on lightly loaded structural parts, the evolution of their use has rapidly accelerated due to the growing development of primary composite structures, such as the ventral beam of the A340-500/600 and the central box of the A380. We have thus gone from 10% by weight of composite materials on the A340-600 (year 2000) to 25% for the A380, with the aim of reaching 40% on the future A350. Nevertheless, the mechanical properties of laminated composites deteriorate for low levels of loading and even during the development cycle of the material. This degradation is the consequence of the presence of damage within the laminate plies. This damage is manifested by various mechanisms taking place at different scales and may interact with each other. This is why the presence of damage is not currently tolerated by certification bodies because it is not yet fully "established the influence of micro cracks [transverse cracking] on the final properties of composite structures". Moreover, as the geometrical shapes of composite parts become more and more complex, as we resort more and more to thicker plies and as the thermo-mechanical loading conditions are more and more severe, it is essential to develop tools allowing to predict the effects of these different damages on the ply behavior. It is especially critical to predict the kinetics of evolution of these damages during the loading cycle with a view to evolve the certification standards and thus tolerate the presence of damages. It is in this context that the upstream study project "AMERICO" (Multi-Scale Analysis: Innovative Research for Organic Matrix Composites) has been funded by the DGA. The goal of this project is to allow significant improvement of current methods, both in terms of performance and cost or confidence in the calculations. Within the framework of this project, the challenges of this thesis are to propose a damage model with more physical damage variables allowing the analysis and prediction of the degradation of composite structures in order, in the long run, to allow their integration in the design phases. This model will also have to integrate the influence of the particularities of new generation materials with high grammage (higher ply thickness, presence of plastic nodules, high disorder and very variable local fiber content) on their damage kinetics.Les structures conçues en composites stratifiés sont des solutions technologiques de plus en plus retenues par les industriels et plus particulièrement par l'industrie aéronautique. En effet, leurs propriétés mécaniques spécifiques font des composites à matrice organique une alternative intéressante aux matériaux métalliques. De plus, ces matériaux sont considérés comme peu sensibles à la fatigue et il est envisageable, en fonction du choix de la stratification, d'obtenir les propriétés mécaniques adaptées à la sollicitation de la pièce. Après une phase d'introduction de ces matériaux sur des pièces de structure faiblement chargées, l'évolution de leur utilisation s'est rapidement accélérée du fait d'un développement croissant des structures primaires en composite, comme la poutre ventrale de l'A340-500/600 et le caisson central de l'A380. On est ainsi passé de 10% en masse en matériaux composite sur A340-600 (année 2000) à 25% pour l'A380 avec la volonté d'atteindre 40% sur le futur A350. Néanmoins, les propriétés mécaniques des composites stratifiés se dégradent pour des niveaux de chargement faibles voire même durant le cycle d'élaboration du matériau. Cette dégradation est la conséquence de la présence d'endommagement au sein des plis du stratifié. Cet endommagement se manifeste par divers mécanismes ayant lieu à des échelles différentes et pouvant interagir entre eux. C'est pour cela que la présence d'endommagement n'est pas actuellement tolérée par les organismes de certification car il n'est pas encore parfaitement « établi l'influence des micro fissures [fissuration transverse] sur les propriétés finales des structures composites ». De plus, comme les formes géométriques des pièces en matériaux composites deviennent de plus en plus complexes, que l'on a de plus en plus recours à des plis de forte épaisseur et que les conditions de chargements thermo- mécaniques sont de plus en plus sévères, il est essentiel de développer des outils permettant de prévoir les effets de ces différents endommagements sur le comportement du pli. Il est surtout critique de prévoir les cinétiques d'évolution de ces endommagements durant le cycle de chargement avec dans l'optique de pouvoir faire évoluer les normes de certification et ainsi tolérer la présence d'endommagement. C'est dans ce contexte que le projet d'étude amont «AMERICO» (Analyses Multi-Echelles : Recherches Innovantes pour les Composites à matrice Organique) a été financé par la DGA. Le but de ce projet est de permettre l’amélioration significative des méthodes actuelles, tant sur le plan des performances que sur le coût ou sur la confiance accordée aux calculs. S'inscrivant dans le cadre de ce projet, les enjeux de cette thèse sont de proposer un modèle d'endommagement à variables d'endommagement plus physiques permettant l'analyse et la prévision des dégradations des structures composites afin, à terme, de permettre leur intégration dans les phases de dimensionnement. Ce modèle devra également intégrer l'influence des particularités des matériaux de nouvelle génération à fort grammage (épaisseurs de plis plus importantes, présence de nodules plastiques, fort désordre et taux de fibres locaux très variables) sur leurs cinétiques d'endommagement

Sur la complémentarité des approches expérimentales et numériques pour la modélisation des mécanismes d'endommagement des composites stratifiés

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Proposition of a framework for the development of a cohesive zone model adapted to carbon-fiber reinforced plastic laminated composites

WOSInternational audienceA new framework is proposed for the development, in an implicit finite element code, of cohesive zone models adapted to the description of the mixed-mode delamination in carbon-fiber reinforced plastic (CFRP) laminated composites. The main advantage of this new framework is to take into account both the interlaminar strength and the fracture toughness of the interface which are experimentally identified. Moreover, this model also takes into consideration the influence on the interfacial properties of the possible out-of-plane compression at the crack tip and of the damage in the plies adjacent to the interface. Using this new framework, a tri-linear cohesive zone model is proposed. The advantages of the tri-linear model compared to the bilinear one are emphasized by comparing the results obtained from the numerical simulations of some fracture tests, using these two models

Modélisation de la propagation de délaminage dans les matériaux composites en présence d'endommagement intralaminaire par des éléments d'interface

International audienceDans ce travail, un modèle utilisant une formulation non locale est proposé afin de simuler par éléments finis la propagation du délaminage à l’endommagement des plis adjacents constaté lors d’une récente campagne expérimentale. Une confrontation essais/simulation permet une validation partielle des lois de comportements (du pli et de l’interface) présentées

Réparation des composites par infiltration de résine = Investigation of a composite repair method by liquid resin infiltration

National audienceLes matériaux composites ont des performances spécifiques exceptionnelles mais restent néanmoins sensibles aux sollicitations d'impact. Les solutions de réparation actuelles sont souvent coûteuses et excessives par rapport aux dommages les plus rencontrés que sont les dommages d'impact faible énergie. Dans cette étude, nous présentons un procédé de réparation original basé sur l'infiltration de résine dans le réseau de fissures crées par impact. Un modèle analytique a été développé et permet de s'assurer une bonne combinaison physico-chimique de la résine de réparation avec le matériau à réparer. Des essais mécaniques ont par ailleurs été réalisés sur des panneaux réparés afin de démontrer les capacités du procédé de réparation. L'essai de compression après impact a été sélectionné car il est largement utilisé industriellement et c'est un des essais les plus discriminants pour les structures composites. Afin de comprendre les mécanismes de ruine de la réparation, des essais complémentaires issus de la mécanique de la rupture ont été réalisés. Aujourd'hui les résultats sur structure réparée sont de très corrects contrairement aux essais élémentaires dont la qualité semble dépendre grandement de la ténacité des résines de réparation injectées

Proposition d'un modèle de zone cohésive adapté à l'étude des joints collés

L'objectif général de cette étude consiste à développer des modélisations aptes à décrire l'amorçage d'un décollement d’un joint de colle. L’étude des méthodes développées dans la littérature montre que les modèles de zone cohésive (MZC) sont les plus aptes à remplir l'objectif annoncé. Aussi, un MZC adapté aux joints collés comprenant a minima (i) un critère en contrainte, (ii) un critère en énergie et (iii) les effets de l'épaisseur d'une colle est proposé. Afin de comprendre l'influence de l'épaisseur de colle sur la force d'amorçage tout en s’affranchissant des difficultés de convergence des MZC, une étude par critères couplés (basés comme les MZC sur une approche en contrainte et en énergie) a été adaptée pour l'étude d'un joint de colle. Il est ainsi démontré analytiquement que l'influence de l'épaisseur de colle sur la force d'amorçage dépend fortement bien évidemment de la présence de singularité mais également de la présence de défaut au niveau du coin de la zone collée. Afin d'intégrer la prise en compte de ce type d’effet bénéfique ou néfaste de l’épaisseur du joint collé au sein d’un MZC, une étude faisant variée la raideur interfaciale (considérée dans une première analyse inversement proportionnelle à l'épaisseur du joint) a été menée et démontre l’influence de ce paramètre sur la force d'amorçage. De plus les simulations d’un essai d’amorçage en faisant varier la forme de la loi du MZC, à propriétés interfaciales identiques, tendent à montrer une influence du comportement de l’interface sur la tenue du joint collé. Afin de valider le modèle proposé, une comparaison avec des essais d’amorçage mettant à profit les effets de bords a été réalisée afin de déterminer les avantages et les limites de ce modèle

Caractérisation du comportement visqueux des interfaces CMO et influence sur la propagation de délaminage

International audienceThis article aims to characterize the interfaces viscoelastic behaviour and its influence on the propagation of mode IIdelamination for carbon fiber and epoxy resin laminated composites, when subjected to thermomechanical loading. The ranges of temperature evaluated remain below the glass transition temperature (∼180°C for the analyzed material), and in the absence of mass loss by thermal degradation. So, it is about characterizing the apparent nonlinear behaviour of the interfaces in temperature before the appearance of first signs of damage. The objective is to explain the different temperature effects on damage phenomena related to the onset and during the delamination propagation phase. Mechanical temperature tests using the Joule heating by inserting electric current allowed to highlight the temperature interface behaviour. Thus, a numerical methodology is presented to compare experimental data and confirm the apparent dependence of interface behaviour on temperature.Cet article vise à caractériser le comportement viscoélastique des interfaces et son influence sur la propagation du délaminage en mode II pour des matériaux composites stratifiés en fibre de carbone et résine époxy, lorsqu’ils sont soumis à des chargements thermo-mécaniques. Les domaines de température concernés restent inférieurs à la température de transition vitreuse (∼180°C pour le matériau analysé), et en absence de perte de masse par dégradation thermique. Il s’agit donc de caractériser le comportement non-linéaire apparent des interfaces en température avant l’apparition des premiers signes d’endommagement. L’objectif est d’expliquer les différents effets de la température sur les phénomènes d’endommagement liés à l’amorçage et pendant la phase de propagation du délaminage. Des essais mécaniques en température utilisant l’effet Joule par insertion de courant électrique ont permis de mettre en évidence le comportement d’interface en température. Ainsi, une méthodologie numérique est présentée pour comparer les données expérimentales et confirmer la dépendance apparente du comportement de l’interface à la température

A multiscale hybrid damage and failure approach for strength predictions of composite structures

International audienc