Sur la complémentarité des approches expérimentales et numériques pour la modélisation des mécanismes d'endommagement des composites stratifiés - Université Pierre et Marie Curie Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

On the complementarity of experimental and numerical approaches for the modeling of damage mechanisms of laminated composites

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

Résumé

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.
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  • HAL Id : tel-03654599 , version 1

Citer

Cédric Huchette. Sur la complémentarité des approches expérimentales et numériques pour la modélisation des mécanismes d'endommagement des composites stratifiés. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université Paris 6, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03654599⟩
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