Les effets de la répartition non-uniforme des fibres sur la propagation des fissures á l’interface fibre/matrice dans les matériaux composites

Effects of non-uniform fiber distribution on fiber/matrix interface crack propagation in polymeric composites

• Auteur / Autrice : Linqi Zhuang
• Direction : Zoubir Ayadi, Janis Varna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 24/05/2017
• 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 : Yves Berthaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Federico París Carballo, Federica Daghia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Berthaud, Federico París Carballo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres

Composites à fibres

Mots clés libres

Distribution de fibres non uniforme

Composite

Propagation d'une fissure

Non-uniform fiber distribution

Composite

Crack propagation

Résumé

Dans ces travaux, nous avons étudié numériquement la croissance du décollement de l'interface fibre / matrice d'un composite UD avec garnissage hexagonale de fibre sous charge longitudinal et transversal. Nous avons mis l'accent en particulier sur l'influence des fibres voisines sur sa croissance. Dans la présente étude, le taux de libération d'énergie (ERR) est considéré comme la force motrice de la croissance du décollement et a été calculé sur la base de Integral J et de la technique de fermeture virtuelle de fissures (VCCT) à l'aide du logiciel de calcul par éléments finis ANSYS. Dans la présente recherche de thèse, nous avons étudier d’abord l'influence des fibres voisines sur ERR d'une décohésion émanant d'une rupture de fibre en condition de chargement longitudinal. Dans le cas du chargement longitudinal, la croissance du décollement est gouvernée par le mode II. Comme point de départ l’étude, nous avons mis place un modèle axisymétrique composé de 5 cylindres concentriques représentant la fibre endommagée, la matrice environnante, les fibres voisines, la matrice environnante et le composite effectif généré. On constate qu'il y a deux stades de croissance, la première étape correspond à une longueur courte du décollement, l'ERR diminue à mesure que l'angle du décollement augmente, et la présence de voisins augmente significativement la décohésion de l'ERR. Pour une décohésion relativement longue, le décollement se situe dans une région de croissance en état stationnaire lorsque l'ERR est pratiquement constant quelle que soit la longueur du décollement. À l’état stationnaire de la croissance du défaut, la présence de fibres voisines n'a que peu d'effet sur l'ERR. Les travails ultérieurs, nous avons mis en place un modèle 3-D (explicite) avec la fibre endommagée et ses 6 fibres les plus proches dans un composite UD compacté hexagonal, entourées par le composite homogénéisé. Sur la base des résultats obtenus, nous avons montré que l'ERR varie le long de la face frontale et a son maximum à l'endroit circonférentiel où la distance entre deux centres de fibre est la plus petite. Cela indique que le front du décollement n’est pas circulaire. Pour l'état stable du décollement, la présence de fibres a peu d'effet sur l'ERR qui progresse le long du front du décollement. Pour un décollement court, la présence de fibres augmente l'ERRS moyenné, et cette augmentation est plus significative lorsque la distance entre fibre est la plus petite. Après l’étude du la décollement fibre / matrice en charge longitudinale, nous avons commencé à étudier la croissance du décollement fibre / matrice le long de la circonférence de la fibre sous charge transversale. On constate que la croissance de la du décollement est en mode mixte, et les composants ERR du mode I et du mode II augmentent avec l'augmentation de l'angle de déformation puis diminuent. La croissance du décollement démarre principalement en mode I pour les petits angles de décollement et se poursuit en mode II. La présence de fibres voisines a un effet d’accroissement sur la croissance du décollement jusqu'à certains petits angles et change ensuite en effet protecteur. En fin, nous avons étudié l'interaction entre deux décollement sous chargement transversale. Nous avons constaté que lorsque deux décollements sont proches l'un de l'autre, l'interaction entre devient beaucoup plus forte et conduit à l'augmentation significative de l'ERR de chaque décollement, ce qui facilite la croissance du décollement

In the presence thesis, the growth of fiber/matrix interface debond of a UD composite with hexagonal fiber packing under longitudinal and transverse tensile loading was investigated numerically, with the special focus on the influence of neighboring fibers on its growth. In the current study, energy release rate (ERR) is considered as the driving force for debond growth and was calculated based on J Integral and Virtual Crack Closure Technique (VCCT) using finite element software ANSYS. In the present thesis research, we started with investigating the influence of neighboring fibers on ERR of a debond emanating from a fiber break in longitudinal loading condition. In longitudinal loading case, debond growth is mode II dominated. As the starting point for the research, an axisymmetric model consisting 5 concentric cylinders that represent broken fiber with debond, surrounding matrix, neighboring fibers, surrounding matrix and effective composites was generated. It’s found that there are two stages of debond growth, the first stage is when debond length is short, the ERR decreases with increasing debond angle, and the presence of neighboring significantly increase the ERR of debond. For relatively long debond, the debond is in a steady state growth region when ERR is almost constant regardless of debond length. In steady state of debond growth, the presence of neighboring fibers have little effect on the ERR. In the later research, a 3-D model was generated with broken fiber and its 6 nearest fibers in a hexagonal packed UD composite were modelled explicitly, surrounded by the homogenized composite. Based on the obtained results, it’s shown that ERR is varying along debond front, and has its maximum at the circumferential location where the distance between two fiber center is the smallest. This indicates the debond front is not a circle. For steady state debond, the presence of fibers have little effect on ERR that averages along debond front. For short debond, the presence of fibers increases the averaged ERRS, and that the increase is more significant when inter-fiber distance are the smallest. When we conclude our investigation on fiber/matrix debonding under longitudinal loading, we began studying the growth of a fiber/matrix debond along fiber circumference under transverse loading. It’s found that debond growth is mixed-mode, and both mode I and mode II ERR components increase with increasing debond angle and then decreases. Debond growth is mode I dominated for small debond angle and then switch to mode II dominated. The presence of neighboring fibers have an enhancement effect on debond growth up to certain small debond angle and then changes to a protective effect. Finally, the interaction between two arc-size debond under transverse loading is investigated. It’s found that when two debonds are close to each other, the interaction between two debond becomes much stronger, and that interaction leads to the increase of ERR of each debond significantly, which facilitates further debond growth for both debond