Analyse théorique et expérimentale du comportement des poutres stratifiées bois et composites piezoélectriques

Theoretical and experimental behavior analysis of wood laminated beams and piezoelectric composites

• Auteur / Autrice : Tawakol Enab
• Direction : Joseph Pastor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux piézoélectriques

Modèles mathématiques

Cisaillement (mécanique)

Torsion (mécanique)

Composites

Résumé

Cette étude est divisée en deux parties. La première artie a pour objet de déterminer les modules pondérés en torsion {GJ} et en cisaillement K/{GS} pour un composite à base de bois (Kerto®). Deux approches MEF en déplacement et en contrainte sont réalisées pour l'étude d'une section quelconque constituée de matériaux orthotropes. Afin de valider ces deux approches, nous effectuons les comparaisons avec les valeurs obtenues expérimentalement lors d'essais de torsion d'éprouvettes prélevées directement dans les panneaux fournis par Finnforest, ainsi qu'avec les résultats obtenus avec le code commercial ANSYS®. Les programmes proposés permettent de déterminer clairement la position du centre de torsion et de camlculer les modules pondérés en torsion {GJ} et en cisaillement [K/{GS} tout en prenant en compte l'effet du film de colle. La deuxième partie est consacrée au développement de l'élaboration et à la modélisation des composites à fibres piézoélectriques. Cette partie a été conçue avec deux objectifs. Le premier est de développer un procédé de fabrication d'inserts composites à fibres piézoélectriques. La méthode développée conduit à un composite unidirectionnel segménté, où les tronçons, dont chacune des extrémités est métallisée, sont séparés par un joint de résine époxyde. Cette technique permet de controler avec précision les différentes caractéristiques du piézcomposite, à savoir la fraction volumique, la répartition des fibres et la longueur de segmentation. Le deuxième objectif de ce travail est de proposer un outil de modélisation, basé sur l'homogénéisation, d'une structure du type poutre contenant des inserts composites à fibres piézoélectriques, afin de prévoirles performances de ces inserts en fonction des principaux paramètres (longueur des segments, taux de fibres). Des poutres avec des inserts piezocomposites avec deux fractions volumiques différentes segmentées à différentes longueurs sont réalisées. Un modème ANSYS® est développé pour analyserl'effet de la longueur de segmentation sur le coefficient de couplage électromécanique. La comparaison expérience/calcul dev aleurs des coefficients de couplage électromécanique montre une bonne cohérence.

This study is divided into two parts. The first part is devoted to determining the equivalent moduli in torsion {GJ} and in shearing K/{GS} for a wood based composite (Kerto®). Two finite element FEM approaches in displacement (upper bounds) and stress (lower bounds) are developed to study any type of heterogeneous crosssection beams. In order to validate these two approaches we carried out comparisons with the values obtained from torsion experiments at specimens taken directly from the panels provided by Finnforest, furthermore with the results obtained with the commercial FEM code ANSYS®. The developed programs make it possible to clearly locate the position of the torsion center and to calculate the equivalent moduli in torsion {GJ} and in shearing K/{GS} while taking into account the effect adhesive film layers. The second part is devoted to the development of manufacturing process and modeling of the piezoelectric fibers composites. This part was conceived with two objectives. The first objective is to develop the manufacturing process of piezoelectric fiber composite inserts. The developed method leads to a unidirectional segmented composite, where the segments are separated by an epoxy joint. This technique makes it possible to control with precision the various characteristics of the piezocomposite, such as the volume fraction.