Optimisation numérique et expérimentale de la tolérance aux dommages d’impact d’un stratifié composite aéronautique

Numerical and experimental optimization of an aeronautical composite laminate's impact damage tolerance

• Auteur / Autrice : Nicolas Dubary
• Direction : Christophe Bouvet, Samuel Rivallant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 11/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Zoheir Aboura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bouvet, Samuel Rivallant, Éric Martin, Fodil Meraghni, Johann Rannou, Léon Ratsifandrihana
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Martin, Fodil Meraghni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique

Résistance des matériaux

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Tolérance aux dommages

Impact

Stratifié composite hybride

Barely Visible Impact Damage

Compression Après Impact

Dimensionnement

Damage tolerance

Impact

Hybrid laminate

Barely Visible Impact Damage

Compression After Impact

Sizing

Résumé

Dans un souci majoritaire de gain en masse et pour l’intégration de solutions innovantes et de structures hautes performances dans les applications actuelles, les matériaux composites occupent une place grandissante au sein des structures aéronefs. Cependant, ils restent vulnérables aux sollicitations hors-plan tel que l’impact, dues par exemple à une chute d’objet pendant une opération de maintenance. Cet événement peut drastiquement réduire leur tenue résiduelle sans pour autant laisser de marque visible en surface. Pour répondre aux exigences réglementaires et permettre une utilisation saine en service, les structures composites sont donc souvent surdimensionnées.Ces travaux de thèse portent sur l’étude expérimentale et numérique de la tolérance aux dommages d’impact (TDI) d’un stratifié composite aéronautique. Entre méthodologie et technique, le thème de recherche propose une étude complète de l’intégrité d’une structure composite, permettant l’apport de connaissances ainsi qu’une compréhension approfondie de la TDI.Le dimensionnement des structures composites s’appuie sur les méthodes aéronautiques d’inspection visuelle des endommagements définissant les charges acceptables et requises par la structure. En effet, la détectabilité de l’endommagement permet une intervention de réparation sur la structure : tant que l’endommagement n’est pas détecté (BVID : Barely Visible Impact Damage), les performances de la structure doivent rester élevées. De nouveaux concepts de stratifiés composites hybrides sont proposés puis testés expérimentalement dans le but d’améliorer la TDI et d’approfondir également la connaissance du comportement des stratifiés composites. Ces concepts sont établis à partir d’un cas de référence, ensuite décliné sous différentes configurations de stratifiés composites hybrides. La démarche expérimentale de la TDI est alors menée depuis l’impact jusqu’à la compression après impact pour définir les deux indicateurs principaux de cette étude : l’indentation permanente et la tenue résiduelle.En parallèle, le modèle développé à l’ICA, le Discret Ply Model (DPM), est utilisé pour proposer une démarche de dimensionnement de stratifié intégrant la philosophie de la TDI. Des améliorations de modélisation et son extension aux stratifiés composites hybrides sont ensuite proposées. Elles ouvrent sur l’utilisation du DPM comme un outil d’aide au dimensionnement des structures composites. Cette démarche est en parfaite cohérence avec l’intégration des approches numériques pour assister les études expérimentales, s’intégrant dans le cadre du « Virtual Testing ».

Coupling with will of mass gain, use of innovative solutions and high performance structures in today’s industrial applications, composites are more and more present in aeronautical structures. However, they are still vulnerable to out-of-plane loading such as impact, due to falling objects during a maintenance operation for instance. This event can drastically reduce their residual strength without let a visible mark onto the surface. Therefore in order to meet requirements and drive to healthy use in service, composites structures are often oversized.This work deals with the experimental and numerical study of the Impact Damage Tolerance (IDT) of an aeronautical composite laminate. An overall study of composite structures integrity leads to a deeper knowledge of the IDT.The approach is based on aeronautical methods for the damages visual inspection: the damage detectability defines the required load that the structure has to sustain. Indeed, the detectability of the damage allows a repair intervention on the structure: as long as the damage is not detectable (BVID), the performance of the structure must remain high. Proposed concepts are experimentally tested to improve the TDI and to bring to more understanding in the behavior of composite laminates. These concepts are based on a reference case, and then declined under different configurations of hybrid composite laminates. The experimental approach of TDI is carried out from impact to compression after impact to define the two main indicators: permanent indentation and residual strength.The model developed at ICA, the Discrete Ply Model (DPM), is used to propose a numerical designing approach according to the TDI philosophy. Modeling improvements are implemented to extend to hybrid composite laminates. This step opens up on the use of DPM as a tool to assist the composite structures sizing. This advanced is in respect with the integration of numerical approaches to support experimental studies, integrating within the framework of ''Virtual Testing''.