Développement d’une stratégie de modélisation du délaminage dans les structures composites stratifiées

Development of a strategy to model delamination in laminated composite structures

• Auteur / Autrice : Thomas Vandellos
• Direction : Éric Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance le 06/12/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ladevèze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pedro Camanho, Dominique Leguillon, Martin Shanahan, Nicolas Carrere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zoheir Aboura, Yann Monerie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites -- Délaminage

Composites thermostructuraux

Mots clés libres

Matériaux composites

Délaminage

Modèle de zone cohésive

Couplage inter/intralaminaire

Identification

Composite materials

Delamination

Cohesive zone model

Inter/intralaminar coupling

Identification

Résumé

Les composites stratifiés de plis unidirectionnels en carbone/époxy sont fortement utilisés pour alléger les structures aéronautiques tout en conservant de bonnes propriétés structurales. Toutefois, les avantages de ce type de matériau ne sont pas encore pleinement exploités de par le manque de confiance accordée aux modèles de prévision de l’endommagement, dont notamment ceux concernant le délaminage. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse était de développer une stratégie de modélisation du délaminage adaptée aux structures composites stratifiées. Cette stratégie s’est appuyée sur le développement d’un modèle de zone cohésive prenant en compte les ingrédients nécessaires à la bonne description de l’amorçage et de la propagation de la fissure : (i) un critère d’amorçage avec un renforcement en compression/cisaillement hors-plan, (ii) une loi de propagation décrivant l’évolution de la ténacité en fonction de la mixité de mode et (iii) la prise en compte du couplage inter/intralaminaire. Pour identifier ce nouveau modèle, une procédure d’identification efficace, s’appuyant sur un essai de traction sur plaque rainurée, a été mise en place. Cette procédure d’identification a permis de démontrer que la ténacité semble indépendante (i) de l’orientation des plis adjacents à l’interface et (ii) de l’empilement étudié. De même, pour décrire l’évolution de la ténacité, une nouvelle loi de propagation adaptée au matériau carbone/époxy a été proposée. Pour finir, la stratégie de modélisation, complétée par une stratégie de calcul, a été appliquée sur différents cas structuraux pour mettre en avant ses apports et ses premières limites.

The carbon/epoxy laminated composites of unidirectional plies are strongly used in order to reduce the weight of aeronautical structures while at the same time proposing good structural properties. However, the advantages of this kind of material are not fully exploited due to the lack of confidence in damage models, like ones concerning delamination. Then, the purpose of this work was the development of a strategy to model delamination in laminated composite structures. This strategy was based on the development of a cohesive zone model taking into account the ingredients necessary to the well description of the onset of delamination and the crack growth: (i) an onset criterion with an out-of-plan compression/shearing reinforcement, (ii) a propagation law describing the evolution of the fracture toughness as a function of mixed mode ratio and (iii) the inter/intralaminar coupling. To identify this new model, an efficient identification procedure, basing on a tensile test on notched specimen, has been proposed. This identification procedure has demonstrated that the fracture toughness seems to be independent of (i) the orientation of plies closed to the interface and (ii) the stacking sequence. Furthermore, to describe the evolution of the fracture toughness, a new propagation law adapted to carbon/epoxy material has been proposed. Finally, the strategy to model delamination, completed by a calculation strategy, has been applied on several structural cases to prove its contributions and its first limitations.