Approche multiéchelle en espace et en temps pour la prévision des endommagements dans les structures composites soumises à un impact de faible énergie

A multiscale space time approche to simulate damages in composite structures subjected to a low energy impact

• Auteur / Autrice : Teddy Chantrait
• Direction : Anthony Gravouil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Olivier Allix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Gravouil, Olivier Allix, Christophe Bouvet, Ludovic Noels, Vincent Faucher, Jean-Luc Léon-Dufour, Johann Rannou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Bouvet, Ludovic Noels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impact

Composites

Mécanique

Mots clés libres

Mécanique

Mécanique des structures

Endommagement des structures

Couplage

Energie

Structure Composite

Fissuration

Dynamique des structures

Dynamique explicite

Mécanisme de bascule

Mechanics

Mechanics of structure

Structure damage

Coupling

Energy

Composite Structure

Cracking

Structural Mechanic

Explicit dynamic

Tipper

Résumé

Les stratifiés composites sont de plus en plus utilisés dans les pièces de structures des aéronefs ce qui fait émerger de nouvelles problématiques comme celle des Impacts de Faible Energie (IFE). En effet, bien qu’ils possèdent des propriétés rapportées à leur masse très intéressantes ces matériaux peuvent être vulnérables aux petits chocs. Or, compte tenu des nombreux paramètres influents lors d’un tel impact (énergie, vitesse, stratification...), les essais actuellement majoritairement privilégiés à l’échelle industrielle sont long et coûteux. Ainsi, l’apport de la simulation numérique pourrait être d’une grande aide pour les constructeurs. La pratique du « virtual testing », en particulier, permettrait d’aller dans cette direction ce qui aurait pour effet de rationaliser les campagnes d’essais et les coûts financier qui en découlent. Cependant, elle peine à être mise en place ici car le temps CPU nécessaire pour la simulation fine des ndommagements induits par les IFE est trop important avec les méthodes actuelles. Partant de ce constat, ce travail a consisté à tirer avantageusement partie de la localisation spatiale et temporelle des délaminages, fissurations matricielles et ruptures de fibres qui peuvent apparaître pendant l’impact pour diminuer le coût de calcul. Ainsi une méthode multiéchelle en espace et en temps a été mise en place. Elle consiste à découper la structure impactée en deux zones. L’une est située autour du point d’impact, elle contient l’ensemble des non-régularités du problème (contact, loi adoucissante, modèle de zone cohésive). Elle est traitée avec le code de dynamique explicite Europlexus. L’autre correspond à la partie complémentaire. Le problème mécanique y est beaucoup plus régulier et il est traité avec le code de dynamique implicite Zset/Zébulon. Un couplage peu intrusif basé sur la méthode GC est donc réalisé entre ces deux codes. Il permet d’utiliser une modélisation adaptée dans chacune des deux régions ce qui permet en particulier d’utiliser des pas de temps différents. Un rapport supérieur à 1000 peut ainsi être obtenu entre celui du code explicite fixé par la condition de stabilité et celui utilisé dans la partie complémentaire. Un gain de temps CPU significatif confirmé par la simulation d’un impact réalisé sur un panneau composite raidi est ainsi obtenu. Il est également montré que la répartition implicite/explicite peut évoluer au cours du calcul. Pour cela un mécanisme de bascule a été mis en place. Il permet ainsi de faire transiter la résolution d’une partie de la structure initialement traitée dans le code Zebulon dans Europlexus. Un gain de temps supplémentaire est alors obtenu grâce à cette méthode sur le même cas d’application.

The composite laminates are increasingly used in aircraft structural parts which lead to new issues such as the Low Energy Impacts (LEI). Indeed, although they have well mechanical properties relative to their mass, small shocks may be very harmfull for laminates. Controlling such situations is essential for manufacturers that why lot of testing campaigns are currently performed. Yet, they are time consuming and expensive considering the many influential parameters (energy, speed, layup...). Numerical simulations of this phenomenon by practicing the so called “virtual testing” process could be really helpfull to rationalize testing campaigns in order to save money. Yet, this practice remain currently hard to do at the industrial scale due to the excessive CPU time required for fine simulation of damages induced by the LEI. Based on this observation, this work has consisted in taking advantage of the spatial and temporal location of delamination, matrix cracking and fiber breakage that can occur during impact in order to reduce the computational cost. Thus, a space and time multiscale method has been put in place. The impacted structure is split into two areas. One is located around the impacted point, it contains all the non-regularities of the problem (contact, softening law, cohesive zone model). This domain is treated with the explicit dynamics code Europlexus. The other one corresponds to the complementary part. The mechanical problem is much more regular and it is treated with the implicit dynamics code Zset / Zebulon. A low intrusive coupling based on the GC method is carried out between these two codes. It allows to use an adapted model in both regions different time step are in particular used. A time step ratio upper to 1000 can be reach between the one of the explicit code set by the stability condition and the one used in the complementary part. As a results, significant CPU time is saved. This is confirmed by the simulation of a stiffened composite panel impacted. It is also shown that the implicit / explicit allocation can change over the calculation. To do that, a switch mechanism has been established. It thus makes it possible to transit the resolution of a portion of the structure initially solved in the code Zebulon to Europlexus. As a results, further gain is obtained.