Analyse du comportement en compression sens fibre de structures composites stratifiées en présence de dégradation matricielle et de concentration de contraintes

Analysis of compressive behaviour in fibre direction of laminated composite structures in presence of matrix degradation and stress concentrations

• Auteur / Autrice : Aldo Cocchi
• Direction : Christian Hochard, Olivier Montagnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Lachaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Federica Daghia, Stéphane Mahdi, Cédric Lanouette, Raffaella Rizzoni, Robert Perrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Laurin, Pedro P. Camanho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres de verre

Composites à fibres de carbone

Composites à fibres

Composites

Stratifiés

Contraintes (mécanique)

Rupture, Mécanique de la

Mécanique

Mots clés libres

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Résumé

La détermination des propriétés à rupture en compression est un facteur important pour la conception des structures composites. Dans ce travail, une analyse concernant la résistance en compression dans le sens des fibres des matériaux et structures composites est présentée. Une nouvelle géométrie d'échantillon est proposée dans le but d'obtenir une rupture dans une zone valide exempte de concentrations de contraintes. Essais expérimentaux ont permis de valider l'utilisation du nouveau coupon en compression et en flexion quatre points à différentes températures. D'autres essais ont permis d'étudier l'influence de la dégradation matricielle sur la résistance en compression dans la direction des fibres. Un critère de rupture non local a été utilisé pour prédire la résistance des structures composites avec concentrations de contraintes. Les paramètres identifiés ont été validés sur structures présentant des effets d’échelle. Les mécanismes de rupture de certains stratifiés sous chargements de traction statique et en fatigue ont été analysés. Le délaminage peut être la cause de ces ruptures, en particulier pour les plis UD avec matrices fragiles. Autrement, la ruine peut s'expliquer par une rupture en compression dans le sens des fibres, générée par effet de Poisson et favorisée par la dégradation matricielle. Ce mécanisme de rupture a permis de décrire les résultats d’essais en fatigue sur stratifies quasi-isotropes en tissé équilibré carbone/PEEK avec et sans concentrations de contraintes. Enfin, l'influence de la dégradation matricielle sur le diamètre du critère de rupture non locale a été évaluée sur des structures pré-endommagées avec des concentrations de contraintes

Determination of compressive properties at failure is an important factor for the design of composite structures. In this work, an analysis concerning the compression strength in fibre direction of composite structures is presented. A novel specimen geometry is proposed with the aim to obtain failure in a valid zone of the coupon free of stress concentrations. Experimental tests permitted to validate the usage of the new coupon in compression and four-points bending, at room and elevated temperature. Further tests permitted to study the influence of matrix degradation on compressive strength in fibre direction. Experimental results demonstrated different behaviours for carbon and glass reinforced plastics. A non-local failure criterion was utilized to predict the strength of composite structures with stress concentrations in tension and compression. The identified parameters were validated on coupons presenting size effects. The failure mechanisms of particular laminates in static and fatigue tension (ex. quasi-isotropic) where analyzed. Delamination can be the cause of these failures, in particular for UD plies and brittle matrices. In other cases, failure can be explained by compression failure in fibre direction generated by Poisson effect and favoured by matrix degradation. This failure mechanism permitted to model the experimental results in fatigue loading for quasi-isotropic laminates fabricated with a balanced carbon/PEEK woven ply. Finally the influence of matrix damage on the characteristic length of the non-local failure criterion was assessed on pre-damaged coupons with stress concentrations