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

Damage Mechanism of an Environmental Barrier Coated Ceramic Matrix Composite Under Thermal and Mechanical Loadings

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SiC-based/EBC Coating systems investigated by LASAT (LAser Shock Adhesion Test)

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Development of a strategy to model delamination in laminated composite structures

Les composites stratifiés de plis unidirectionnels en carbone/époxy sont fortement utilisés pour alléger les structures aéronautiques tout en conservant de bonnes propriétés structurales. Toutefois, les avantages de ce type de matériau ne sont pas encore pleinement exploités de par le manque de confiance accordée aux modèles de prévision de l’endommagement, dont notamment ceux concernant le délaminage. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse était de développer une stratégie de modélisation du délaminage adaptée aux structures composites stratifiées. Cette stratégie s’est appuyée sur le développement d’un modèle de zone cohésive prenant en compte les ingrédients nécessaires à la bonne description de l’amorçage et de la propagation de la fissure : (i) un critère d’amorçage avec un renforcement en compression/cisaillement hors-plan, (ii) une loi de propagation décrivant l’évolution de la ténacité en fonction de la mixité de mode et (iii) la prise en compte du couplage inter/intralaminaire. Pour identifier ce nouveau modèle, une procédure d’identification efficace, s’appuyant sur un essai de traction sur plaque rainurée, a été mise en place. Cette procédure d’identification a permis de démontrer que la ténacité semble indépendante (i) de l’orientation des plis adjacents à l’interface et (ii) de l’empilement étudié. De même, pour décrire l’évolution de la ténacité, une nouvelle loi de propagation adaptée au matériau carbone/époxy a été proposée. Pour finir, la stratégie de modélisation, complétée par une stratégie de calcul, a été appliquée sur différents cas structuraux pour mettre en avant ses apports et ses premières limites.The carbon/epoxy laminated composites of unidirectional plies are strongly used in order to reduce the weight of aeronautical structures while at the same time proposing good structural properties. However, the advantages of this kind of material are not fully exploited due to the lack of confidence in damage models, like ones concerning delamination. Then, the purpose of this work was the development of a strategy to model delamination in laminated composite structures. This strategy was based on the development of a cohesive zone model taking into account the ingredients necessary to the well description of the onset of delamination and the crack growth: (i) an onset criterion with an out-of-plan compression/shearing reinforcement, (ii) a propagation law describing the evolution of the fracture toughness as a function of mixed mode ratio and (iii) the inter/intralaminar coupling. To identify this new model, an efficient identification procedure, basing on a tensile test on notched specimen, has been proposed. This identification procedure has demonstrated that the fracture toughness seems to be independent of (i) the orientation of plies closed to the interface and (ii) the stacking sequence. Furthermore, to describe the evolution of the fracture toughness, a new propagation law adapted to carbon/epoxy material has been proposed. Finally, the strategy to model delamination, completed by a calculation strategy, has been applied on several structural cases to prove its contributions and its first limitations

Development of a strategy to model delamination in laminated composite structures

Les composites stratifiés de plis unidirectionnels en carbone/époxy sont fortement utilisés pour alléger les structures aéronautiques tout en conservant de bonnes propriétés structurales. Toutefois, les avantages de ce type de matériau ne sont pas encore pleinement exploités de par le manque de confiance accordée aux modèles de prévision de l’endommagement, dont notamment ceux concernant le délaminage. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse était de développer une stratégie de modélisation du délaminage adaptée aux structures composites stratifiées. Cette stratégie s’est appuyée sur le développement d’un modèle de zone cohésive prenant en compte les ingrédients nécessaires à la bonne description de l’amorçage et de la propagation de la fissure : (i) un critère d’amorçage avec un renforcement en compression/cisaillement hors-plan, (ii) une loi de propagation décrivant l’évolution de la ténacité en fonction de la mixité de mode et (iii) la prise en compte du couplage inter/intralaminaire. Pour identifier ce nouveau modèle, une procédure d’identification efficace, s’appuyant sur un essai de traction sur plaque rainurée, a été mise en place. Cette procédure d’identification a permis de démontrer que la ténacité semble indépendante (i) de l’orientation des plis adjacents à l’interface et (ii) de l’empilement étudié. De même, pour décrire l’évolution de la ténacité, une nouvelle loi de propagation adaptée au matériau carbone/époxy a été proposée. Pour finir, la stratégie de modélisation, complétée par une stratégie de calcul, a été appliquée sur différents cas structuraux pour mettre en avant ses apports et ses premières limites.The carbon/epoxy laminated composites of unidirectional plies are strongly used in order to reduce the weight of aeronautical structures while at the same time proposing good structural properties. However, the advantages of this kind of material are not fully exploited due to the lack of confidence in damage models, like ones concerning delamination. Then, the purpose of this work was the development of a strategy to model delamination in laminated composite structures. This strategy was based on the development of a cohesive zone model taking into account the ingredients necessary to the well description of the onset of delamination and the crack growth: (i) an onset criterion with an out-of-plan compression/shearing reinforcement, (ii) a propagation law describing the evolution of the fracture toughness as a function of mixed mode ratio and (iii) the inter/intralaminar coupling. To identify this new model, an efficient identification procedure, basing on a tensile test on notched specimen, has been proposed. This identification procedure has demonstrated that the fracture toughness seems to be independent of (i) the orientation of plies closed to the interface and (ii) the stacking sequence. Furthermore, to describe the evolution of the fracture toughness, a new propagation law adapted to carbon/epoxy material has been proposed. Finally, the strategy to model delamination, completed by a calculation strategy, has been applied on several structural cases to prove its contributions and its first limitations

Développement d'une stratégie de modélisation du délaminage dans les structures composites stratifiées

Les composites stratifiés de plis unidirectionnels en carbone/époxy sont fortement utilisés pour alléger les structures aéronautiques tout en conservant de bonnes propriétés structurales. Toutefois, les avantages de ce type de matériau ne sont pas encore pleinement exploités de par le manque de confiance accordée aux modèles de prévision de l endommagement, dont notamment ceux concernant le délaminage. C est pourquoi l objectif de cette thèse était de développer une stratégie de modélisation du délaminage adaptée aux structures composites stratifiées. Cette stratégie s est appuyée sur le développement d un modèle de zone cohésive prenant en compte les ingrédients nécessaires à la bonne description de l amorçage et de la propagation de la fissure : (i) un critère d amorçage avec un renforcement en compression/cisaillement hors-plan, (ii) une loi de propagation décrivant l évolution de la ténacité en fonction de la mixité de mode et (iii) la prise en compte du couplage inter/intralaminaire. Pour identifier ce nouveau modèle, une procédure d identification efficace, s appuyant sur un essai de traction sur plaque rainurée, a été mise en place. Cette procédure d identification a permis de démontrer que la ténacité semble indépendante (i) de l orientation des plis adjacents à l interface et (ii) de l empilement étudié. De même, pour décrire l évolution de la ténacité, une nouvelle loi de propagation adaptée au matériau carbone/époxy a été proposée. Pour finir, la stratégie de modélisation, complétée par une stratégie de calcul, a été appliquée sur différents cas structuraux pour mettre en avant ses apports et ses premières limites.The carbon/epoxy laminated composites of unidirectional plies are strongly used in order to reduce the weight of aeronautical structures while at the same time proposing good structural properties. However, the advantages of this kind of material are not fully exploited due to the lack of confidence in damage models, like ones concerning delamination. Then, the purpose of this work was the development of a strategy to model delamination in laminated composite structures. This strategy was based on the development of a cohesive zone model taking into account the ingredients necessary to the well description of the onset of delamination and the crack growth: (i) an onset criterion with an out-of-plan compression/shearing reinforcement, (ii) a propagation law describing the evolution of the fracture toughness as a function of mixed mode ratio and (iii) the inter/intralaminar coupling. To identify this new model, an efficient identification procedure, basing on a tensile test on notched specimen, has been proposed. This identification procedure has demonstrated that the fracture toughness seems to be independent of (i) the orientation of plies closed to the interface and (ii) the stacking sequence. Furthermore, to describe the evolution of the fracture toughness, a new propagation law adapted to carbon/epoxy material has been proposed. Finally, the strategy to model delamination, completed by a calculation strategy, has been applied on several structural cases to prove its contributions and its first limitations.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / 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

Initiation of edge debonding: coupled criterion versus cohesive zone model

International audienceCohesive zone models and criteria based on finite fracture mechanics are two alternatives to analyze edge debonding. A comparison between the two approaches is presented in this paper. The coupled criterion which combines a stress and an energy conditions to estimate crack initiation is used and compared with a bilinear cohesive law. Predictions of the debonding onset are in good agreement provided the characteristic fracture length of the interface remains smaller than the characteristic dimension of the specimen

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

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