Étude expérimentale et numérique de la fissuration intralaminaire dans les composites à hautes performances

Experimental and Numeriacal Studies of Intralaminar Cracking in High Performance Composites

• Auteur / Autrice : Mohamed Sahbi Loukil
• Direction : Zoubir Ayadi, Janis Varna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 04/10/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université de technologie de Luleå (Suède)
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Soutis Constantinos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrejs Krasnikovs, Mikael Sjodahl
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Soutis Constantinos, Yves Berthaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Rupture, Mécanique de la

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Composites -- Fatigue

Micromécanique (ingénierie)

Mots clés libres

Matériaux composites

Endommagement

Calculs par éléments finis

Fissures intralaminaires

Interférométries de Speckle

Composite materials

Thermo-elastic properties

Transverse cracking

Finite element analysis

Speckle Interferometry

Résumé

Le mécanisme d'endommagement le plus facilement observable lors d'un essai de traction est la micro-fissuration des plis. Ces fissures sont parallèles à la direction des fibres et s'étendent sur toute l'épaisseur du pli. L'apparition et la croissance du nombre de ces fissures engendrent une réduction progressive de la rigidité globale du composite. Lorsque le composite est sollicité mécaniquement, les concentrations de contraintes en pointe de fissures peuvent favoriser la création d'une zone où le pli fissuré et le pli adjacent sont décollés (phénomène de délamination). Il est évident que l'apparition de cette nouvelle forme d'endommagement modifiera la dépendance de l'ouverture et du glissement des lèvres des fissures avec le chargement appliqué. Il est donc nécessaire de trouver un moyen de mesure permettant l'estimation expérimentale des valeurs de l'ouverture moyenne et du glissement moyen des lèvres des fissures. L'objectif principal de cette thèse est de caractériser l'endommagement des matériaux composites (Fibre de carbone/époxy et fibre de verre/époxy) utilisés dans le domaine aéronautique. En utilisant l'interférométrie de speckle (ESPI), des mesures de plein champs de déplacements aux bords des échantillons et dans différentes couches du stratifié ainsi que des études par élément finis ont été effectuées dans le but de calculer l'ouverture et le glissement des lèvres des fissures. L'effet des propriétés élastiques des matériaux sur l'endommagement aussi bien que l'effet d'interaction entre les fissures ont été déterminés. Une discussion essais/calculs est enfin réalisée afin de juger la validité des hypothèses retenues

The macroscopic failure of composite laminates subjected to tensile increasing load is preceded by initiation and evolution of several microdamage modes. The most common damage mode and the one examined in this thesis is intralaminar cracking in layers. Due to this kind of microdamage the laminate undergoes stiffness reduction when loaded in tension. The degradation of the elastic properties of these materials is caused by reduced stress in the damaged layer which is mainly due to two parameters: crack opening displacement (COD) and crack sliding displacement (CSD). The first objective of this thesis is to investigate the effect of crack interaction on COD using FEM and to describe the identified dependence on crack density in a simple and accurate form by introducing an interaction function dependent on crack density. The application of this function to more complex laminate lay-ups is demonstrated. All these calculations are performed assuming that cracks are equidistant. Using FEM, we assume linear elastic material with ideal crack geometry. Fiber bridging over the crack surface is possible which can affect COD and CSD. The only correct way to validate these assumptions is through experiments. The second objective is to measure these parameters for different laminate lay-ups in this way providing models with valuable information for validation of used assumptions and for defining limits of their application. In particular, the displacement field on the edge of a [90/0]s and [903/0]s carbon fiber/epoxy laminates specimens with multiple intralaminar cracks in the surface layer is studied