Étude de la rupture translaminaire à haute température dans les stratifiés thermoplastiques à plis tissés pour des applications aéronautiques : caractérisation expérimentale et simulation numérique

Study of the high temperature translaminar fracture in aeronautical woven-ply thermoplastic laminated composites : experimental characterization and numerical simulation

• Auteur / Autrice : Juan Daniel Pujols González
• Direction : Benoit Vieille, Christophe Bouvet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement 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 : Zoheir Aboura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoit Vieille, Christophe Bouvet, Christian Hochard, Éric Martin, Xiao-Jing Gong
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Hochard, Éric Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Rupture, Mécanique de la

Propriétés mécaniques

Stratifiés

Composites polymères

Effets des hautes températures

Plasticité

Composites tissés

Fibres de carbone

Composites thermoplastiques

Mots clés libres

Matrice thermoplastique

Plis tissés de fibres de carbone

Rupture translaminaire

Caractérisation expérimentale

Modélisation numérique

Thermoplastic matrix

Carbon fibers woven ply

Translaminar fracture

High temperature

Experimental characterization

Numerical modelling

Résumé

Appréhender le comportement mécanique à rupture des matériaux composites est un véritable enjeu pour l’industrie aéronautique. La problématique est encore plus complexe dans un environnement haute température (150°C) au sein des composites à matrice thermoplastique PEEK renforcée par des fibres de carbone tissées. Parmi les mécanismes de rupture les plus critiques, la rupture translaminaire associée à la rupture des fibres nécessite des approches spécifiques selon le mode sollicitation (traction, compression, flexion). Ces travaux ont permis de comparer différentes méthodes expérimentales mettant l’accent notamment sur des méthodes optiques couplées à des mesures de champ rendant possible le suivi de la propagation de fissure à haute température. Les courbes G-R obtenues, traduisant l’évolution du taux de restitution d’énergie en fonction de la longueur de fissure, caractérisent la rupture translaminaire et donnent des informations essentielles sur l’influence de l’épaisseur du stratifié ainsi que son drapage selon le type de sollicitation. Un modèle numérique implémenté dans le code Eléments Finis Abaqus a été exploité afin de prédire le comportement en rupture translaminaire. Ce modèle, basé sur un critère énergétique de rupture et une loi de plasticité, permet de : (i) simuler le comportement à rupture en traction et en compression – (ii) dissocier les mécanismes responsables de la dissipation d’énergie lors de la rupture translaminaire. Ainsi, les outils de la mécanique de la rupture et la modélisation par éléments finis sont des approches complémentaires permettant de mieux comprendre le comportement à rupture ainsi que l'origine de la tolérance aux dommages des composites à matrice PEEK et renfort tissé. Cependant, les valeurs caractéristiques de la ténacité à la rupture et les courbes G-R correspondantes peuvent être difficiles à déterminer et à interpréter. Enfin, ces travaux ont également mis en évidence les limites des concepts de mécanique de la rupture appliqués aux structures composites stratifiées.

Understanding the fracture behaviour of composite materials is a challenge for the aeronautics industry. The problem is even more complex in a high temperature environment (150°C) within PEEK thermoplastic matrix composites reinforced with woven carbon fibers. Among the most critical failure mechanisms, the translaminar failure associated with fiber breakage requires specific approaches depending on the stress mode (traction, compression, bending). This work has allowed the comparison of different experimental methods, with particular emphasis on optical methods coupled with field measurements making it possible to monitor crack propagation at high temperature. The G-R curves obtained, showing the evolution of the strain energy release rate as a function of the crack length, characterize the translaminar fracture and give essential information on the influence of the thickness of the laminate as well as its draping according to the type of stress. A numerical model implemented in the Abaqus Finite Elements code was used to predict the translaminar fracture behavior. This model, based on an energetic criterion of rupture and a law of plasticity, allows to: (i) simulate the tensile and compressive fracture behaviour – (ii) dissociate the mechanisms responsible for energy dissipation during translaminar fracture. Fracture mechanics and finite elements modelling provide a very efficient framework for better understanding the fracture behavior of woven-ply PEEK-based laminated composites as well as the origin of their damage tolerance. However, the characteristics values of fracture toughness and corresponding G-R curves can be difficult to determine and to interpret. Ultimately, the present work also emphasized the limitations of fracture mechanics concepts applied to laminated composite structures.