Contribution à l’étude de la résistance à la compression de stratifiés composites à fibres de carbone haut module : cas de chargements statiques et cycliques.

A contribution to the study of the resistance to compression of high modulus carbon fiber reinforced polymer : static and cyclic loading case studies.

• Auteur / Autrice : Pierre-Yves Méchin
• Direction : Vincent Keryvin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 30/01/2017
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Jury : Président / Présidente : Carole Nadot-Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Baley, Jean-Claude Grandidier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Casari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Composites -- Fatigue

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Stratifiés fibre de carbone-époxy-polymère

Modèle micro-mécanique

Résistance résiduelle

Ramberg-Osgood

Carbon-Fiber-Epoxy-Polymer laminates

Durability

Micro-mecanique model

Sandwich

Résumé

Cette thèse est une contribution à la compréhension du comportement des composites carbone-époxy en compression par l’étude de l’influence des constituants (fibres et matrices). L’incidence d’un chargement mécanique d’amplitude constante ou variable sur la durabilité est étudiée et un modèle numérique permettant la prédiction de la résistance résiduelle est proposé. Une première partie des travaux s’intéresse aux mécanismes spécifiques engagés dans la résistance en compression. Un modèle analytique est retenu pour une confrontation expérimentale. Ce modèle propose de considérer d’une part le micro-flambage de la fibre comme contenu par le comportement en cisaillement de la matrice (Budiansky et Fleck, 1993). En complément, une partie supplémentaire de structure considérant, entre autres, l’influence du gradient de déformation induit dans une sollicitation en flexion 4 points est étudiée (Grandidier, 2002). Afin de valider la pertinence du modèle, une campagne expérimentale est menée sur six matrices époxy différentes (de fragile à ductile) dans des empilements stratifiés monolithiques identiques réalisés en cuisson autoclave. Ces résultats ont permis de valider la capacité du modèle à prédire l’influence de la rigidité de la matrice sur la résistance en compression. Le partie micro-flambage est validée pour la prise en compte de la matrice. La partie effet de structure (gradient ici) est validée par une comparaison avec des résultats supplémentaires obtenus sur des éprouvettes sandwich sollicitées en flexion. Ces dernières éprouvettes ont fait l’objet d’une conception spécifique afin de favoriser la rupture en compression pure (sans gradient de déformation). Une seconde partie est consacrée à l’étude de la durabilité en compression. Une campagne expérimentale d’essais de fatigue est menée en flexion 4 points sur les éprouvettes sandwich précédemment conçues. Les essais sont conduits à une fréquence de 10 Hz et différents rapports de charge dans une optique de dégager l’évolution de la résistance résiduelle. Un modèle numérique de changement d’échelles (stratifié, plis, constituants) est parallèlement développé, basé sur la dégradation et la plasticité de la matrice. On fait l’hypothèse de simplicité thermo-rhéologique de la matrice pour établir des courbes de maitresses à partir d’une série d’essais identifiés (fluage, relaxation, fatigue…). On utilise les propriétés résiduelles du pli (rigidité, résistance) pour estimer un indicateur d’endommagement. Ce dommage est répercuté dans les propriétés de la matrice au moyen d’une loi de dégradation linéaire. Une loi de cumul de dommage de type Miner est alors introduite pour tenir compte de la variabilité des chargements appliqués. Un solveur micro- mécanique est développé pour extraire le comportement non-linéaire du pli en cisaillement tenant compte de la dégradation. Ce comportement est paramétré par une loi de Ramberg-Osgood utilisée dans le modèle analytique validé précédemment. Les travaux des deux parties permettent donc la mise en place d’un outil de prédiction de la résistance résiduelle des plis sollicités dans un chargement biaxial plan, avec en particulier le traitement de la compression

This PhD dissertation is a contribution to the modelling of Carbon-Fiber-Epoxy-Polymer laminates, undergoing specifically compression loadings, according to components. The aim is to build a design tool for composites structures taking into account this compression specificity for dimensioning racing yachts parts (masts, daggerboards, foils), which is the expertise of HDS/GSea-Design, the company associated to this work. Emphasis was put on the influence of linear or non-linear properties of each phase by varying the type of fibre (from high stiffness to high strength) and the type of matrix (from brittle to ductile). The effect of a mechanical loading, static, constant (creep, relaxation) or variable (fatigue) on durability is studied and a numerical model for predicting the residual strength is proposed. The first part of this work deals with the mechanisms involved in compressive strength. An analytical model is used for an experimental validation. It considers a contribution linked to the micro-buckling of the fibre as contained by the shear behaviour of the matrix (Budiansky et Fleck [1993]). It considers also a contribution of the deformation gradient induced for instance in a bending loading (Gardin et al. [2002]). To validate this model, an experimental campaign was conducted on six different epoxy matrices (from brittle to ductile) on identical monolithic stackings processed in autoclave. The results allowed the validation of the model capability to predict the influence of the matrix stiffness on the compressive strength of unidirectional laminas. Taking into account the matrix behaviour validates the micro-buckling contribution. Regarding the deformation gradient contribution, it is validated through a comparison using additional experimental results on sandwich samples in bending. The latter samples were specifically designed to favour a pure compression fracture (without any deformation gradient). The second part examines durability in compression. Another experimental campaign with fatigue tests was conducted with four points bending tests on the same sandwich samples. Experiments were carried out at 10 Hz and different load ratios were used to study their influence on the compressive residual strength. A numerical model involving different scales (laminate, laminas, fibres and matrix) is developed in parallel (Huang et al. [2012a]), based on the degradation and the plasticity of the matrix. The assumption of thermo-rheological simplicity of the matrix is made to build master curves from dedicated experiments (creep, relaxation). We then use the residual properties (stiffness, strength) of the ply to estimate a damage level. This latter parameter is used to modify the elastic stiffness of the matrix with a linear law. A Miner-type cumulative law is used in fatigue to take into account the different possible loadings. A micro-mechanical solver is developed to extract the non-linear shear behaviour of the ply accounting for this degradation. This behaviour is described by a Ramberg-Osgood law used in the analytical model described in the first part of this work. The joint contributions of these two parts allowed us to program a numerical tool for predicting the residual strength of plies undergoing a biaxial in- plane loading, being monotonous, constant or with a variable amplitude, with emphasis on the particular case of compression loading.