Fatigue des structures sandwich soumises au slamming : Développement de nouveaux essais

Fatigue of sandwich structures subjected to slamming – Development of new testing methods

• Auteur / Autrice : Raphaël Gérard
• Direction : Pascal Casari, Frédéric Jacquemin, Jamal Fajoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Guillaumat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Hochard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Ferrero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impact

Navires -- Hydrodynamique

Mousses de polymères

Matériaux sandwichs

Résumé

Les matériaux sandwich constituent un concept de structure composite permettant une extrême rigidité pour une masse minimisée. Cependant, la faible connaissance de leurs modes de rupture et de leur comportement à la fatigue a freiné leur développement. Dans une première partie de ce document, le phénomène d'impact des vagues sur la coque d'un navire, encore appelé slamming est appréhendé par des mesures en navigation sur un voilier de compétition. Les résultats nous renseignent sur les niveaux de sollicitation subis ainsi que sur une évolution spatiale des contraintes provoquée par le passage transitoire des vagues qui heurtent la coque. Dans la deuxième partie, le matériau d'âme est caractérisé en fatigue au moyen d'un nouveau montage d'essai et d'une modélisation thermomécanique associée. On découvre que la durée de vie d'une mousse PVC caractérisée à l'aide de ce nouveau montage est significativement augmentée par rapport au montage normalisé classiquement utilisé. La description de la physique présente lors de l'essai de fatigue est assurée par des modélisations couplées par éléments finis, en fournissant à la fois le champ de température et le champ de contraintes non uniformes évoluant dans l'éprouvette de fatigue de manière transitoire. Enfin, l'essai de flexion quatre points sur poutre sandwich est modifié pour permettre une variation spatiale des contraintes. Ces études ont procuré un ensemble de résultats qui permettent désormais de développer une nouvelle approche de caractérisation des matériaux et des structures composites en plus grande conformité avec le mode de sollicitation rencontré durant leur vie en service

Sandwich materials are composite structure concepts which give an extreme stiffness for a minimized mass. However, little knowledge of their failure modes and their fatigue behavior has slow their development. In the first part of this document, the phenomenon of wave impact on the hull on a ship called slamming is apprehended by measures a racing sailboat during navigation. The results tell us about the levels of stress experienced as well as the spatial evolution of stresses caused by the path of transient waves that hit the hull. In the second part, the core material is characterized by fatigue tests using a new test rig and associated thermo-mechanical modeling. We discover that the life of the PVC foam characterized using this new installation is significantly increased compared to standard mounting conventionally used. The description of the physic present during the fatigue test is carried out by coupled finite element modeling, providing both the temperature field and non-uniform field of stresses present transiently in the fatigue specimen. Finally, the four-point bending test on sandwich beams is modified to allow a spatial variation of the loads. These studies have provided a set of results that now allow to develop a new approach for the characterization of composite materials and structures into greater conformity with the type of solicitation met during their service life