Contribution à l'approche numérique multi-échelles pour la modélisation du comportement mécanique de matériaux composites à renfort interlock

Contribution of the numerical approaches multi-scales for the modelling of the mechanical composite material behaviour with interlock reinforcement

• Auteur / Autrice : Samer Nehme
• Direction : Malk L. Benzeggagh, Benjamin Hagege
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique avancée
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Éléments finis, Méthode des

Élasticité linéaire

Rupture, Mécanique de la

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Composites -- Délaminage

Propriétés mécaniques

Composites

Mots clés libres

Interlock

Comportement mécanique

Modélisation

Maillage

Résumé

Les tisseurs « interlock 2. 5D » appartiennent à la famille des composites tridimensionnels. Ils apparaissent pour les applications avancées (aéronautiques, spatial, automobile,…) à cause de leurs avantages sur les tisseurs bidimensionnels, surtout en ce qui concerne les bonnes propriétés mécaniques dans la troisième direction (Z). La modélisation des propriétés mécaniques de ce type de composites peut être faite à l’aide de modèles numériques ou analytiques. L’évaluation des propriétés mécaniques par une étude expérimentale donne des résultats plus précis en comparant avec ceux obtenus par les modèles numériques, or le cout important consommé des machines et les échantillons réels des matériaux utilisés, impose la recherche d’une méthode numérique fiable. Partant de ce constat, une nouvelle méthodologie de construction du maillage du volume élémentaire représentatif ‘VER’ est proposée. La technique consiste à mailler en tétraèdres la matrice (de comportement isotrope) et en hexaèdres les mèches (de comportement isotrope transverse). Afin de réaliser la discrétisation, un modèle géométrique est développé à partir de mesures prises par photomicrographie sur un matériau fourni par une société aéronautique. Le logiciel industriel «Ansys Academic Associate» est utilisé pour résoudre le problème. Des délaminages possibles sont pris en compte grâce à des interfaces de contact. Les rigidités, dépendantes de ces endommagements possibles, sont déterminées dans les trois directions et sont comparées avec les résultats expérimentaux (suivant la direction de trame Y pour le Tisseur4-69) et un modèle analytique. Au-delà des résultats satisfaisants pour le comportement élastique (en accord avec les résultats expérimentaux), le domaine endommagé par un délaminage apparaît correctement décrit, en ayant recours à une approche cohésive privilégiant les concepts de la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture, associés aux sollicitations des Modes I et II.

2. 5D interlocks are particular reinforcements of aeronautic composite materials that are believed to have a high structural potential. This kind of reinforcement entails to consider the composite as a structure because interlocks are built by crossing the warp tows with the weft tows in the three directions. To evaluate the mechanical behavior, one may obtain numerically the anisotropic elastic engineering constant from a finite elements model. This technique of virtual testing consists to model the composite at it’s the meso-scale to obtain a macro-scale response with a stress-displacement analysis. We thus propose a new meshing methodology to build an elementary volume made of tetrahedral for the isotropic matrix and of mapped hexahedral for the transversely isotropic yarns. In order to achieve the finite element discretization, a geometrical model is developed from measurements taken from photomicrographs of an interlock composite. The industrial sofware package « Ansys Academic Associate » is used to solve the problem with contact element, local orientation of the anisotropy in yarns and computation of nine macroscopic orthotropic engineering constants. The numerical results are compared to experimental data and an analytical model. The finite element model shows a good agreement with our previous work. Beyond satisfying results for the elastic behaviour, the delamination is correctly described using a cohesive approach focusing on the concepts of linear elastic fracture stresses, associated with Mode I and mode II.