Fatigue thermodynamique de multicouches polymère/composite

Thermomechanical fatigue of polymer/composite multilayers

• Auteur / Autrice : Maxime Bertin
• Direction : Marie-Christine Lafarie-Frenot, Fabienne Touchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Récipients sous pression

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Émission acoustique

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Développement de l'endommagement

Emission acoustique

Corrélation d'images

Remplissage rapide de réservoirs à hydrogène

Thermographie infrarouge

Radiographie X

Résumé

Le remplissage rapide de réservoirs d'hydrogène sous pression conduit à une augmentation simultanée de la température du gaz et des contraintes. Un banc de fatigue thermomécanique instrumenté a été développé afin de simuler ce remplissage rapide sur des éprouvettes multicouches polymère/composite. La validation thermique de ce banc a montré que le liner en polyuréthane constitue une bonne barrière thermique. Une étude sur un multicouche avec différentes séquences d'empilement a permis de montrer l'influence néfaste de la température et d'un palier de maintien à la charge maximale sur sa durée de vie ainsi que l'effet bénéfique de l'alternance des plis du composite. Un drapage ''représentatif'' des conditions de service du réservoir a été optimisé par calcul analytique et par éléments finis afin d'atteindre les mêmes niveaux de contraintes maximales dans l'éprouvette sollicitée sur le banc de fatigue thermomécanique que ceux atteints dans le réservoir. Pour ce drapage, les résultats ont montré que la fatigue thermomécanique conduit à des durées de vie plus faibles qu'en fatigue mécanique à 1Hz. L'observation d'échantillons sollicités en fatigue thermomécanique montre une localisation des endommagements dans la partie la plus chauffée du composite. De plus, cette sollicitation conduit préférentiellement à des délaminages comparée aux résultats obtenus en fatigue mécanique à 1Hz. Des mesures de champs de déplacement par corrélation d'images ont mis en évidence des concentrations de cisaillement localisées entre certains plis du drapage ''représentatif'' ainsi qu'un comportement viscoélastique accentué en présence de cyclage thermique, qui seraient à l'origine des endommagements constatés.

Fast filling of hydrogen pressure vessels leads to a simultaneous increase of gas temperature and stresses. An instrumented thermomechanical fatigue test bench has been developed to simulate fast filling on flat coupons made of polymer/composite multilayers. Thermal validation of this test bench shows that polyurethane is an efficient insulating material. Study of multilayers with different stacking sequences has shown a harmful influence of temperature and of a constant stress level stage on multilayer behaviour and that alternation of different orientation layers in the composite part is beneficial for the multilayer. A stacking sequence ''representative'' of vessel life service has been optimized by analytical and finites elements calculations to reach the same maximum stress levels in flat coupon tested on test bench than maximum stress levels reached in pressure vessel. Thermomechanical fatigue on this stacking sequence leads to lower fatigue life than 1Hz mechanical fatigue. Observation on flat coupons submitted to thermomechanical fatigue tests shows damage localization in the most heated part of the composite. Moreover, thermomechanical fatigue tests lead preferentially to delimitations comparatively to results obtained with 1Hz mechanical fatigue tests. Displacements fields measured in ''representative'' flat coupon by digital image correlation method show high shear strain localization between different plies and a significant viscoelastic behaviour of composite part, reinforced by thermal cycling, which could explain observed damage.