Étude du comportement dynamique de matériaux composites sous sollicitations de chocs : application à un casque aéronautique

Study of dynamic behavior of composite materials : applied to aeronautical helmet

• Auteur / Autrice : Sébastien Denneulin
• Direction : Philippe Viot, Frédéric Léonardi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et Mécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Choc (mécanique)

Aéronautique

Composites

Résumé

Constitué d'un calotin en mousse et d'une coque extérieure, un casque protège la tête d'un impact, respectivement en dissipant une partie de l'énergie du choc et en limitant la pénétration d'un objet impactant. Une attention particulière est portée à la coque du casque. En effet, même si la plus grande partie de l'énergie est dissipée par la mousse, la coque assure deux rôles essentiels qui sont la protection à la pénétration et la distribution des déformations sur la mousse. De plus, du côté industriel le gain de masse peut s'avérer plus important sur la coque que sur la mousse. L'objectif de ce travail de recherche, réalisé en collaboration avec Thalès Avionics, est d'établir, pour la coque, des relations entre les phénomènes intervenants à l'échelle microscopique et la réponse acroscopique de la structure lors d'une sollicitation. D'un point de vue industriel, cette étude permet de sélectionner des matériaux aux caractéristiques améliorées vis-à-vis de l'impact. Une première campagne d'essais a révélé que l'ajout de copolymère tribloc (Nanostrengths) dans la matrice du composite Kevlar/Époxy augmente significativement les performances à l'impact du composite. En premier lieu, l'influence des caractéristiques physico-chimiques sur le comportement à l'impact est étudiée. Il en ressort qu'un fort taux de fibre couplé à 10% de Nanostrength améliore significativement la résistance à la perforation et augmente l'énergie dissipée. Ensuite, en vue de modéliser la coque du casque et de déterminer les phénomènes qui favorisent la dissipation d'énergie, un modèle de comportement est choisi. Il s'agit d'un modèle élastique endommageable. L'identification du modèle est réalisée en quasi-statique et en dynamique grâce à des essais matériaux. L'identification du modèle est optimisée et validée par la confrontation des résultats expérimentaux et des résultats de simulation. Ce travail constitue la première étape, vers la modélisation du casque dans le but de quantifier les phénomènes et d'optimiser sa structure vis-à-vis de l'application industrielle

The structural components of the helmet are designed to protect the head from impact by dissipating the kinetic energy of the projectile and ensuring that any contact between the projectile and the impacted body is avoided. Most of the energy is dissipated by the inner core but the outer shell must be designed with the greatest attention since the structure has several critical roles during impact: resisting the perforation by the projectile and assisting the distribution of load on the foam. In addition, from a design point of view, the mass gain may be more important on the shell than on the foam. Though the outer shell and the inner foam are both essential, particular attention is paid to the helmet shell. The objective of this research, in collaboration with Thales Avionics, is to establish a relationship between phenomena occurring at the microscopic level and the macroscopic response. The study will provide significant new information to industry to aid them in selecting materials with improved characteristics under impact. A first series of tests revealed that the addition of triblock copolymer (Nanostrength) in the matrix of the Kevlar/Epoxy composite significantly increased the impact performance of the composite. The influence of the physico-chemical parameters on impact behavior was studied. It was observed that a high fibre weight fraction coupled with 10% Nanostrength considerably improved puncture resistance and increased the energy dissipated. Next, in order to understand the processes that promote energy dissipation and model numerically the helmet shell a behavior law was chosen. The model was an elastic material model with damage. Quasi-static and dynamic tests were performed to obtain the material parameters. The model identification was optimized and validated by comparing experimental data and simulation results. This work presents a significant first step towards developing a numerical model of the helmet that can quantify the phenomena and optimize the structure for industrial applications.