Analyse thermomécanique de l'endommagement en fatigue de stratifiés carbone/époxy : détermination de la limite d'endurance à partir d'essais d'auto-échauffement

Thermomechanical analysis of damage in carbon/epoxy laminated composites under fatigue loading : determination of the endurance limit by self-heating tests

• Auteur / Autrice : Ophélie Westphal
• Direction : Laurent Gornet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Ecole centrale de 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)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermographie

Composites -- Fatigue

Mots clés libres

Composites stratifiés

Résumé

Cette thèse porte sur l’adaptation d’essais d’auto-échauffement et d’une méthode de détermination rapide de la limite d’endurance à des stratifiés à matrice époxyrenforcée de fibres de carbone haute résistance. L’intérêt pour cette méthode a débuté il y a une vingtaine d’années, mais son utilisation est restée cantonnée essentiellement aux matériaux métalliques. Elle est fondée sur la mesure de la température moyenne en surface d’éprouvette pendant une série de blocs de chargement cyclique d’amplitude croissante. Ces mesures thermiques permettent de déterminer rapidement la limite d’endurance du matériau. Des essais d’auto-échauffement ont été réalisés sur des stratifiés carbone/époxy sous des conditions de chargement de traction/traction et la limite d’endurance de chacun des stratifiés testés a été déterminée en 3 heures à partir des courbes de température. Ces limites d’endurance sont cohérentes avec les résultats de fatigue classique obtenus sur les mêmes stratifiés. L’objectif de cette étude est principalement de comprendre le lien entre l’endommagement d’un stratifié sous un chargement cyclique de quelques milliers de cycles et celui d’un stratifié dont la durée du chargement dépasse plusieurs millions de cycle. L’étude de l’endommagement a été réalisé à l’échelle du stratifié, par le suivi d’indicateurs macroscopiques comme la perte de rigidité ou la déformation résiduelle, mais également à l’échelle du pli élémentaire grâce à des analyses tomographiques. Les mécanismes d’endommagement activés durant les essais d’auto-échauffement sont identiques à ceux que l’on peut observer dans des stratifiés chargés en fatigue

This thesis focuses on the adaptation of the self-heating test and the method of rapid determination of the endurance limit for high-strength carbon fiber reinforced epoxy matrix laminates. The interest in this method began twenty years ago, but its use has remained largely restricted to metallic materials. It is based on measuring the average temperature in specimen surface during a series of cyclic loading blocks of increasing amplitude. These thermal measurements are used to determine the endurance limit of the material fast. Self -heating tests were carried out on laminated carbon / epoxy under tensile loading conditions and endurance limit of each laminate tested was determined in less than 3 hours from the self-heating curves. These endurance limits are consistent with the results of classical fatigue tests obtained on the same laminate. The aim of this study is mainly to understand the link between damage in a laminate under cyclic loading of a few thousand cycles and that in a laminate whose charging time exceeds several million of cycles. The study of the damage has been done at the laminate scale, thanks to macroscopic indicators such as loss of stiffness or residual deformation, but also at the ply level thanks tomographic analysis. The damage mechanisms activated during the self-heating tests are identical to those that can be observed in laminates loaded in fatigue. An energy approach was then proposed to quantify the changes in the dissipated energy in a laminated under self-heating tests,based on thermal field measurements.