Étude expérimentale de l'endommagement des matériaux composites sous chargement multi-axial : de la détection de l'endommagement à la caractérisation pilotée par corrélation d’images numériques

Experimental study of composite materials damage under multi-axial loads : from damage detection to characterization driven by digital image correlation

• Auteur / Autrice : Victor Couty
• Direction : Éric Deletombe, Mathias Brieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 16/03/2022
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle - Laboratoire de Mécanique- Multiphysique- Multiéchelle - UMR 9013 / LaMcube
• Jury : Président / Présidente : Véronique Aubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Poncelet, Jean-François Witz, Pauline Grosbras
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabienne Touchard, Julien Réthoré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie

Traitement d'images

Composites à fibres

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Mots clés libres

Endommagement

Composite

Corrélation

Multi-Axial

Experimental

Multi-Axial

Composite

Damage

Correlation

Experimental

Résumé

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'aéronautique en raison de leurs excellentes propriétés spécifiques. Cependant ces matériaux sont des mécanismes de dégradation nombreux et complexes. Ceux-ci impactent fortement le comportement mécanique des structures composites. La compréhension de ces mécanismes et la prédiction du comportement des structures composites est cruciale afin de pouvoir garantir la fiabilité des pièces aéronautiques tout en minimisant la masse de l'ensemble. Cette étude se concentre sur la détection et la caractérisation des mécanismes d'endommagement, entraînant une dégradation irréversible du matériau qui a pour conséquence d'altérer sa rigidité et sa tenue mécanique.Afin de construire des modèles pertinents pour le dimensionnement de structures, une caractérisation précise des composites est nécessaire. Les tests communément effectués à cette fin sont uniaxiaux et ne permettent d'explorer le comportement fortement anisotrope des composites que par la multiplication d'essais pour les différentes orientations. Cela se traduit parla réalisation de nombreux essais pour une caractérisation anisotrope, qui ne permet pas d'étudier les potentiels couplages entre différents modes de sollicitation. Le développement de tests multi-axiaux permet d'étudier ces couplages et d'explorer plusieurs directions de sollicitation lors d'un même test. De plus, les sollicitations multi-axiales permettent une représentation plus réaliste des contraintes subies en conditions réelles.Cependant la réalisation et l'exploitation d'essais multi-axiaux posent de multiples difficultés techniques et théoriques. En effet, il est nécessaire de déterminer un trajet de chargement multi-directionnel et de piloter les axes de commande de manière synchrone pour appliquer le chargement désiré. Pa railleurs, l'analyse de ces essais nécessite des moyens de mesures adaptés ainsi que des techniques d'exploitation permettant d'extraire des informations pertinentes. Pour l'endommagement, plusieurs techniques de mesure sont étudiées et comparées dans les travaux présentés: corrélation d'images numériques, thermographie infrarouge et mesures acoustiques. Une première étude est réalisée sur des essais uniaxiaux sur stratifiés carbone-époxy puis un essai biaxial plan sur verre-époxy est présenté, incluant des radiographies ainsi qu'une reconstruction par laminographie visant à extraire des informations sur l'état interne du matériau de l'éprouvette.Le pilotage des essais bi-axiaux est réalisé à l'aide de CRAPPY, un module Python développé pour le pilotage d'essais mécaniques. La mesure de déformation est effectuée en temps réel en utilisant un logiciel de corrélation intégrée en temps réel accéléré par GPU spécialement développé à cette fin. Ces deux outils numériques sont également détaillés.L'endommagement peut se manifester par des évènements discrets tels que la fissuration ou le délaminage, ou de manière diffuse comme le cas de la micro-fissuration ou la décohésion fibre-matrice. Des méthodes sont proposées afin de permettre une détection in-situ. Ces travaux visent à terme à permettre la spécification et la réalisation de nouveaux types d'essais, pour une caractérisation plus complète du comportement des matériaux composites

Composite materials are widely used in aeronautics because of their excellentspecific properties. However, these materials are subject to numerous and complex degradation mechanisms. These mechanisms have a strong impact on the mechanical behavior of composite structures. The understanding of the semechanisms and the prediction of the behavior of composite structures is crucial in order to guarantee the reliability of aeronautical parts whileminimizing the mass of the whole structure. This study focuses on the detectionand characterization of damage mechanisms leading to an irreversible degradation of the material that results in altering its rigidity and mechanical strength.In order to build relevant models for the design of structures, a precise characterization of the composites is necessary. The tests commonly performedfor this purpose are uniaxial and can only explore the highly anisotropic behavior of composites by replicating the tests for different orientations.This results in the necessity to perform numerous tests for a complete anisotropic characterization, which does not allow the study of potentialcouplings between different modes of loading. The development of multi-axialtests allows to study these couplings and to explore several directions ofloading during the same test. Moreover, multi-axial stresses allow a more realistic representation of the stresses under gone in real conditions.However, the realization and the exploitation of multi-axial tests posemultiple technical and theoretical difficulties. Indeed, it is necessary todetermine a multi-directional loading path and to drive the control axessynchronously to apply the desired loading. Moreover, the analysis of thesetests requires specific instrumentation as well as processing techniques toallow the extraction of relevant information. For damage, several measurementtechniques are studied and compared in the presented work: digital imagecorrelation, infrared thermography and acoustic measurements. A first study iscarried out on uniaxial tests on carbon-epoxy laminates, then a plane biaxialtest on glass-epoxy is presented, including X-rays radiography as well as areconstruction by laminography aiming at extracting information on the internalstate of the material of the specimen.The control of the bi-axial tests is performed with CRAPPY, a Python moduledeveloped for the control of mechanical tests. The deformation measurement isperformed in real time using a GPU accelerated real-time integrated correlationsoftware specially developed for this purpose. These two numerical tools arealso described.Damage can be occur in discrete events such as cracking or delamination, or ina diffuse manner such as the case of micro-cracking or fiber-matrix decohesion.Methods are proposed to allow in-situ detection. This work aims at allowing thespecification and the realization of new types of tests, for a more completecharacterization of the behavior of composite materials