Prévision de la résistance en compression des composites à fibres longues : approche structurelle du microflambage plastique

Prediction of the compressive strength for long fibre composites : structural approach of plastic microbuckling

• Auteur / Autrice : Sylvain Drapier
• Direction : Michel Potier-Ferry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Metz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Flambage (mécanique)

Composites à fibres

Résumé

La faible résistance en compression des composites à fibres longues est actuellement un facteur pénalisant pour le dimensionnement des structures. Cette faiblesse est généralement, attribuée à une instabilité des fibres, appelée microflambage, qui dépend essentiellement du défaut d'alignement des fibres à l'état initial et du caractère plastique de la matrice. Mais expérimentalement, on observe que la résistance en compression dépend également de paramètres à l'échelle de la structure (épaisseur des plis testes, séquence d'empilement et chargement applique). Les quelques modèles capables de rendre compte de l'effet de tous ces paramètres sont très lourds à manipuler. Le but de ce travail est de proposer un outil numérique spécifique performant qui permette de mener une étude paramétrique, et qui soit par la suite adaptable dans les milieux industriels. A partir d'un modèle homogénéisé bidimensionnel établi dans un cadre parfait par Grandidier - Gardin et Potier-Ferry, le problème de microflambage plastique avec défaut est posé. Afin de minimiser les temps de calculs, ce problème est formule à l'échelle du pli à l'aide d'une cinématique à double échelle. En remarquant que le microflambage est une instabilité cellulaire, la solution est recherchée sur un domaine réduit grâce à un élément fini particulier. Avec ce code spécifique, la réponse complète du pli est déterminée en quelques minutes. L'étude du mécanisme de microflambage confirme l'importance, sur la résistance, du défaut d'alignement. Il peut être défini par l'angle que fait la fibre avec l'axe théorique, pour des longueurs d'onde voisines de la longueur d'onde critique élastique. Les calculs montrent également que la résistance en compression dépend fortement du chargement et de la position du pli dans le stratifie, particulièrement quand l'épaisseur du pli diminue. Finalement, la comparaison de nos prévisions avec les résultats expérimentaux est très bonne compte tenu du défaut qui reste le seul paramètre majeur difficile à évaluer expérimentalement

The low compressive strength of the long fibre composites is now a penalizing factor for the structure design. This weakness is generally related to a fibre instability, called microbuckling, which depends especially on the fibre misalignment defect in the initial state and on the plastic matrix behaviour. But experimentally, one can observe that the compressive strength also depends on some parameters at structure scale (tested ply thickness sequence and apllied loading). The few models able to account for the effect of all these parameters are very heavy to use. We aim at proposing a specific numerical tool which permits to conduct a parametric study and which can then be suited for industrial use. From a bidimensional homogenized model established in a perfect framework by Grandidier - Gardin - Potier-Ferry, the plastic microbuckling problem including defect is set. In order to minimize the computations costs, this problem is formulated at ply scale by using double-scale kinematics. Remarking that microbuckling is a cellular instability, the solution is sought on a reduced domain thanks to a peculiar finite element. With this specific code, the complete response of plies is determined in a few minutes. The study of the microbuckling mechanism confirm the importance, on the strength, of the misalignment defect. This latter can be defined by the angle between the fibre and its theorical axis, for the wavelengths close to the elastic critical wevelength. The computations also show that the compressive strength strongly depends on the loading and on the ply position in the laminate, especially when the thickness decreases. Finally, the comparison between our predictions and the experimental results is quite good, facing that the defect is the only main parameter which is difficult to evaluate experimentally