Étude et dimensionnement des stratifiés composites aéronautiques sous chargement complexe multiaxial

Study and design of composite laminates under multiaxial complex loading

• Auteur / Autrice : Antoine Trellu
• Direction : Christophe Bouvet, Samuel Rivallant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Calloch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bouvet, Samuel Rivallant, Sylvain Calloch, Philippe Boisse, Frédéric Laurin, Léon Ratsifandrihana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Boisse, Frédéric Laurin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Simulation numérique directe

Impact

Mots clés libres

Structures composites

Impact à moyenne vitesse

Essais complexes multiaxiaux

Modélisation numérique

Composite structures

Medium velocity impact

Multiaxial complex tests

Numerical modeling

Résumé

De par leurs hautes caractéristiques mécaniques rapportées à leur faible masse, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés pour la fabrication de structures primaires aéronautiques. Néanmoins les mécanismes d’endommagement de ces matériaux restent complexes, en particulier lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations telles que les impacts, les chargements en compression induisant flambage ou post-flambage ou encore les chargements multiaxiaux. La simulation de ces endommagements reste un challenge et limite l’utilisation de modèles numériques lors du processus de design et de certification. Il en résulte l’allongement de la durée de conception et l’augmentation des coûts de développement.Pour réduire ces coûts, de nombreux travaux portent sur la modélisation de l’impact basse vitesse et de la compression après impact, cas de chargement le plus critique pour un stratifié composite endommagé en impact. Généralement, ces études portent sur des éprouvettes à l’échelle du coupon pour évaluer la tenue résiduelle de ces structures et les dimensionner en tolérance aux dommages d’impact. Le « Discrete Ply Model » (DPM), développé depuis une dizaine d’années à l’Institut Clément Ader, s’inscrit dans cette démarche. Pour évaluer la tenue résiduelle de la structure après impact, le DPM permet de simuler les endommagements se développant lors d’un impact et lors de la compression après impact à partir d’un même modèle de calcul par éléments finis.Toutefois, les conditions aux limites préconisées par les normes d’impact et de compression après impact semblent conservatives. Elles ne permettent pas de représenter le comportement réel des structures composites. En effet ces dernières sont, dans la majorité des cas, des panneaux raidis, qui ne sont pas soumis uniquement à des sollicitations uniaxiales mais également à des chargements multiaxiaux couplés au flambage de la structure.L’objectif des travaux de thèse est d’étudier l’interaction entre les dommages d’impact à moyenne vitesse et des chargements complexes après impact sur des stratifiés composites à l’échelle des détails structuraux. La réalisation d’une campagne expérimentale d’impacts suivis de chargements complexes a permis d’effectuer un dialogue essai/calcul entre les résultats expérimentaux et les résultats numériques du DPM pour valider son utilisation avec de nouveaux cas de chargement.La modélisation de l’endommagement des stratifiés composites coûte très cher en temps de calcul et limite grandement l’utilisation de modèles tels que le DPM dans l’industrie. Ce problème est logiquement accentué lorsque les modélisations portent sur des essais à l’échelle des détails structuraux. C’est pourquoi les travaux de thèse ont également porté sur l’optimisation du DPM avec le développement d’un nouvel élément permettant de mieux représenter le comportement des matériaux composites et de diminuer les coûts de simulation.

The development and certification of aeronautical composite structures is still largely based on the pyramid of tests. This approach is extremely costly in terms of number of tests, especially at the level of coupons. Moreover, these tests are highly conservative, under uniaxial loading, and do not represent the actual behavior at structure scale. To overcome these drawbacks, a new methodology has been developed at the Institut Clément Ader, which uses a complex loading test rig for technological specimens. This research focuses on the combined loading after impact of CFRP plates and highlights a specific behavior quite different from the usual CAI (Compression After Impact) response at the scale of coupons. In particular, large size, different boundary conditions such as compression, shear or combined shear/compression loadings, and interaction with postbuckling are investigated.Then experimental resutls are used to calibrate the Discrete Ply Model (DPM). The DPM is a numerical model which allows the representation of three main failure appearing in a composite structure.This model shows good results in simulation of impact and compression after impact but the associated mesh involves high computation times. The second part of this work is the implementation of a new interface element to decrease computation times.