Contributions à la mécanique de la rupture des matériaux composites thermoplastiques à haute température : analyses expérimentales et numériques

Contributions to the fracture mechanics of thermoplastic composite materials at high temperature : experimental and numerical analyzes

• Auteur / Autrice : Manel Chabchoub
• Direction : Benoit Vieille, Mohamed Taktak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec École nationale d'ingénieurs de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Thionnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoit Vieille, Mohamed Taktak, Christophe Bouvet, Mohamed Soula, Lakhdar Taleb, Mohamed Haddar, Lassâad Walha
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Bouvet, Mohamed Soula

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Résistance des matériaux

Matériaux -- Fissuration

Rupture, Mécanique de la

Composites à fibres de carbone

Thermoplastiques

Effets des hautes températures

Composites

Mots clés libres

Carbone/PPS

Ténacité

Composite materials

Thermoplastic

Carbon/PPS

Fracture

Tenacity

Damage

Numerical simulation

Résumé

Ce travail vise à étudier le comportement à la rupture des composites tissés C/PPS à haute températureT > Tg/c/pps. Des analyses fractographiques et des observations microscopiques des faciès de rupture ont permis d'appréhender les mécanismes d'endommagement qui existent dans les stratifiés C/PPS à haute température (HT) en présence de fissure. Pour les stratifiés quasi-isotropes (comportement élastique fragile), plusieurs techniques ont été utilisées afin d'étudier la ténacité à l'initiation et à la propagation. En particulier, l'émission acoustique semble pertinente car elle permet de détecter l'initiation, la propagation de la fissure mais aussi de suivre l'évolution de l'endommagement. Pour les stratifiés à plis croisés (comportement ductile), une approche basée sur le calcul de l'intégrale J en utilisant la méthode de séparation de charge a été utilisée. Cette méthode a montré sa capacité à fournir les courbes J-R des composites à comportement très ductile à HT pour différents rapports longueur d'entaille initial sur la largeur de l'éprouvette a/W. Numériquement, un modèle viscoélastique spectral linéaire et un modèle viscoplastique de Norton généralisé ont été utilisés pour tenir compte du comportement dépendant du temps des composites C/PPS à HT. Pour évaluer précisément les paramètres de rupture dans les stratifiés à base TP, une étude sur le type de maillage et son raffinement a été réalisée. Enfin, en se basant sur le maillage sélectionné et en utilisant le code de calcul aux éléments finis Cast3m, la méthode Gθ a été appliquée afin de tester sa capacité à déterminer J pour différents niveaux de chargement.

The present work was aimed at investigating the fracture mechanics in woven-ply TP (PPS) based laminates at T > Tg/c/pps. A fractography analysis and microscopic observations of fracture surfaces were used to apprehend the damage mechanisms in C/PPS at high temperature (HT) in the presence of a crack. For quasi-isotropic laminates (elastic brittle behavior), several techniques were used to investigate the tenacity at initiation and propagation. In particular, the acoustic emission showed to be particularly relevant as it allows to detect the crack initiation, propagation but also to follow the evolution of the damage. For cross-ply laminates (ductile behavior), an approach based on the calculation of integral J using the load separation method was used. This method showed its capability to provide the J-R curves of composites with very ductile HT behavior for different crack length over specimen width ratios a/W. Numerically, a linear spectral viscoelastic model and a generalized Norton viscoplastic model were used to account for the time-dependent behavior of C/PPS composite laminates at HT. To precisely evaluate the fracture parameters in TP-based laminates, a study on the mesh type and its refinement was carried out. Finally, based on the selected mesh and using the finite element code Cast3m, the Gθ method was applied in order to test its capability to determine J for different loading levels.