Aspects méthodologiques de la caractérisation en compression de composites à fibres longues

Methotological aspects of the characterisation of compressive strength of fiber reinforced composites

• Auteur / Autrice : Abir Mejdoub
• Direction : Christophe Bois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 09/06/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Vincent Keryvin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bois, Vincent Keryvin, Christian Hochard, Jalal El Yagoubi, Nicolas Feld, Laurent Guillaumat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Keryvin, Christian Hochard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices, Mécanique des

Essais de compression

Éléments finis, Méthode des

Flexion (mécanique)

Composites

Mots clés libres

Composites

Flexion

Éléments finis

Résistance en compression

Matrice

Ondulation des fibres

Composites

Bending

Finite elements

Compressive strength

Matrix

Fibers waviness

Résumé

Une conception robuste de nombreuses structures composites exige une connaissance fine de la résistance à la rupture en compression. Il est admis que cette rupture par micro-flambage plastique est pilotée par une instabilité structurelle. Les travaux menés depuis plusieurs décennies ont montré la difficulté à identifier expérimentalement l’ensemble des paramètres permettant de prédire ce mode de ruine. Ceci s’explique par la multitude des facteurs influents ainsi que la forte variabilité associée à ce mode de rupture. Un travail expérimental est associé à la mise en oeuvre de modèles dans le but d’analyser les essais menés puis de discuter le rôle de certains paramètres tels que le comportement de la matrice et l’ondulation des fibres. Deux séries d’essais sur des stratifiés composites carbone/époxy sont ainsi proposées afin d’identifier l’effet du gradient de déformations dans l’épaisseur. En premier lieu, des essais de flexion 4 points sur des éprouvettes sandwich dissymétriques sous différentes configurations, ont permis de solliciter une peau de composite mince avec un gradient faible. Pour les divers cas abordés, une rupture prématurée de l’éprouvette induite par un mode de rupture parasite est observée. Une confrontation essai calcul par éléments finis est présentée pour analyser l’origine à cette rupture précoce. Les résultats montrent une bonne corrélation entre les mesures expérimentales et les simulations numériques, ce qui permet de décrire le processus d’endommagement et de proposer des voies d’amélioration pour ce type d’essai. En second lieu, des essais de flexion permettant d’appliquer un couple pur sur une éprouvette monolithique ont permis d’identifier le comportement en compression en présence d’un gradient élevé. Par ailleurs, ces essais ont été réalisés à différentes températures afin d’isoler l’effet du comportement de la matrice sur la résistance en compression dans la direction des fibres. Les différents résultats expérimentaux ont été confrontés à des critères de ruptures proposés dans la littérature basés sur des approches micromécaniques. Pour cela, l’angle d’ondulation des fibres ainsi que le comportement en cisaillement du pli composite à différentes températures ont été identifiés. Puisque la température ne modifie ni la nature du renfort, ni son agencement au sein du composite, l’approche proposée permet de mieux appréhender le rôle du paramètre associé à l’angle d’ondulation initial des fibres qui est introduit dans différents critères de ruptures.

In order to design a reliable composite structure under compressive loading, it is required to accurately identify the compressive strength. The compressive failure mode of continuous fiber reinforced matrix composites is often attributed to an instability at the micromechanical scale, namely the process of microbuckling. The work carried out for several decades has shown the difficulty to experimentally identify all the parameters that allow the prediction of this mode of failure. An experimental work is then associated with the implementation of models in order to analyze the tests carried out and to discuss the effect of certain parameters such as the matrix behaviour and the fibres waviness. Experimental tests on a unidirectional composite are performed in order to focus on the effect of the strain gradient through the thickness. At first, a sandwich beam under four-point bending test configuration, on different cases, have been performed. This test device allows to load a thin composite skin under compression. For each studied case, the premature failure of the composite is induced by a parasitic failure mode. Then, a finite-element model was developed to investigate the stress/strain distributions in the specimens to improve their design and to support the interpretation of the experimental results. The results show a good correlation and it allows to describe the damage process. On other hand, a test device for monolithic samples were used in order to identify compressive strength with a bending moment for high deformation gradient through the thickness. Furthermore, these tests were performed at different temperatures in order to isolate the effect of the matrix behavior on the compressive strength in the fiber direction. A failure criterion is thus considered to predict the strength of composite structures at different temperatures. Finally, a comparison of different experimental results with failure criteria, proposed in the literature based on micromechanical approaches, was carried out to describe the failure in compression. For this purpose, the fiber waviness angle as well as the shear behaviour of the composite ply at different temperatures have been identified. Since the temperature does not modify the nature of the fiber, nor its arrangement within the composite, the proposed approach allows a better understanding of the role of the parameter associated with the initial corrugation angle of the fibers, which is introduced in different failure criteria.