Influence of woven ply degradation on fatigue crack growth in thin notched composites under tensile loading

This paper deals with the fatigue of the through the-thickness crack propagation in thin notched composite laminates made of two glass woven plies. It highlights the different crack growths between warp and weft directions of the woven ply. Experimental results show a decrease of the crack growth rate per cycle with the increase of the crack initiation time. Moreover, it has been shown that it is necessary to take into account the fatigue damage of the woven plies in term of loss of rigidity in the initiation phase. The fatigue crack growth rates are then quantified using Paris law type equations and linear elastic fracture mechanics (LEFM)

Fatigue crack growth in thin notched woven glass composites under tensile loading. Part I: experimental

Helicopter blades are made of composite materials mainly loaded in fatigue and have normally relatively thin skins. A through-the-thickness crack could appear in these skins. The aim of this study is to characterize the through-the-thickness crack propagation due to fatigue in thin woven glass fabric laminates. A technological test specimen is developed to get closer to the real loading conditions acting on these structures. An experimental campaign is undertaken which allows evaluating crack growth rates in several laminates. The crack path is linked through microscopic investigations to specify damage in woven plies. Crack initiation duration influence on experimental results is also underlined

Fatigue crack growth in thin notched woven glass composites under tensile loading. Part II: modelling

Fatigue propagation of a through-the-thickness crack in thin woven glass laminates is difficult to model when using homogeneous material assumption. Crack growth depends on both the fatigue behaviour of the fibres and of the matrix, these two phenomena occurring at different time and space scales. The developed finite element model is based on the architecture of the fabric and on the fatigue behaviours of the matrix and the fibre, even if the pure resin and fibre behaviours are not used. That thus limits the physical meaning of this model. Basically, the objective of this simulation is to illustrate and to confirm proposed crack growth mechanism. The fatigue damage matrix is introduced with user spring elements that link the two fibre directions of the fabric. Fibre fatigue behaviour is based on the S-N curves. Numerical results are compared to experimental crack growth rates and observed damage in the crack tip. Relatively good agreement between predictions and experiments was found

Study of the fatigue crack growth in thin composite skins made of woven plies

Helicopter blades are made of composite sandwich materials mainly loaded in fatigue. Normally, they have relatively thin skins. A through-the-thickness crack could appear in these coatings. The aim of this study is to characterize the through-the-thickness crack propagation in fatigue in thin woven glass fabric laminates. A specific fatigue test is developed so that these structures parts can undergo real stress conditions. A wide experimental campaign is undertaken which allows stating crack growth rates in several laminates. The propagation path is linked through microscopic investigations to specific damages of woven plies. Crack initiation duration influence on experimental results is also underlined. The finite element modelling is based on the architecture of the fabric and on the fatigue behaviours of the matrix and the fibre. The fatigue damage matrix is introduced with user spring elements that link the two fibres directions of the fabric. The glass fibre fatigue behaviour is based on S-N curves. Numerical results are compared to measured crack growth rates levels and observed damages in the crack tip

Low velocity impact modelling in laminate composite panels with discrete interface elements

A model enabling the detection of damages developing during a low velocity/low energy impact test on laminate composite panels has been elaborated. The ply model is composed of interface type elements to describe matrix cracks and volumic finite elements. This mesh device allows to respect the material orthotropy of the ply and accounts for the discontinuity experimentally observed. Afterwards delaminations are described with interfaces similar to the ones observed with matrix cracks and the coupling between these two damages are established. In the first step, simple stress criteria are used to drive these interface type elements in order to assess the relevance of model principle. Nevertheless, the well known problem of mesh sensitivity of these criteria prevents the use of this model for now as a predictive tool but rather as a qualitative tool. An experimental validation is carried out thanks to impact experimental tests performed by Aboissiere (2003) and a very good match has been found. However, this model could predictivelly be used and would allow to foresee an original method to detect delaminations during an experimental test. This modelling has been successfully tested experimentally and compared to a C-Scan ultrasonic investigation

Propagation de coupure dans des tissus de verre de pâles arrières d'hélicoptères

L'objet de ce travail est l'étude de la propagation de coupure en fatigue dans des tissus composites de verre/époxy utilisés pour la fabrication de pâles arrières d'hélicoptères par la société EUROCOPTER. Une étude des directions chaîne et trame du tissu a été menée et a montré une différence de comportement importante sur la vitesse de propagation d'une coupure; en particulier le temps d'initiation dans la direction trame s'est révélé près de 10 fois plus important que celui de la chaine

Contribution à l'étude de la propagation de coupure en fatigue dans les revêtements composites tissés minces

Les pales d'hélicoptères sont des structures composites sandwichs soumises à des sollicitations de fatigue et qui présentent des peaux relativement minces. L'apparition en service d'une fissure dans l'épaisseur du revêtement, dénommée coupure, reste plausible. L'objectif de cette étude est de caractériser la propagation de coupure en fatigue dans des stratifiés minces à base de plis de tissus de fibres de verre et de résine époxy. Un protocole d'essais original est développé afin de se rapprocher des modes de sollicitations de ce type de structures. Une importante campagne expérimentale est menée et permet d'évaluer des niveaux de vitesse de propagation dans différents stratifiés. La propagation est notamment reliée par des observations microscopiques, aux mécanismes d'endommagement propres aux tissus. L'importance de la durée d'initiation sur les résultats expérimentaux est également soulignée. La modélisation éléments finis proposée repose sur une description de l'architecture du tissu et des comportements en fatigue propres à chacun de ses constituants. L'endommagement matriciel est introduit sous forme discrète par l'utilisation d'éléments de liaison entre les deux directions de renforts du tissu. Le comportement en fatigue des mèches de fibres est appréhendé à l'aide de courbes S-N. Les prévisions du modèle sont analysées au travers des niveaux de vitesse de propagation mesurés et des endommagements observés en pointe de coupure.TOULOUSE-ISAE (315552318) / SudocSudocFranceF

Modélisation de la propagation d'une coupure sur stratifié mince de composite tissé soumis à un chargement cyclique de traction

National audienceCe papier présente un modèle de propagation de coupure (à travers l'épaisseur) sur matériau composite sous chargement de fatigue en traction. Il est adapté à un stratifié mince, de plis à renforts tissés, verre/époxy semblables a ceux utilisés pour les pales d'hélicoptère. La démarche adoptée vise à appréhender les phénomènes influençant la cinétique d'endommagement que l'on pourrait retrouver par exemple dans un revêtement de pale d'hélicoptère soumis à un effort longitudinal cyclique. Le modèle résultant, repose sur le principe original de découplage entre les comportements en fatigue des fibres et de la matrice. Il consiste en la superposition de deux maillages unidirectionnels représentant respectivement les fibres des directions chaîne et trame du stratifié, reliés par des éléments ressorts dont la raideur est dégradable. La méthode de modélisation ainsi que l'identification des paramètres du modèle est détaillée. Ce modèle a été éprouvé en comparant ses résultats aux vitesses de propagation de coupures sur des éprouvettes structurales représentatives de la structure d'un revêtement de pale présentant une entaille