Simulation de la rupture des composites stratifiés dans le cadre de modèles de plaques multicouches

Simulation of laminate composite failure using stress-based layerwise plate models

• Auteur / Autrice : Paul Bouteiller
• Direction : Karam Sab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 31/01/2022
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux et structures architecturés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Lazarus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karam Sab, Federica Daghia, Corrado Maurini, Johann Rannou, Christophe Bouvet, Fabrice Congourdeau, Jérémy Bleyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Federica Daghia, Corrado Maurini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dassault Aviation

Matériaux -- Essais

Composites

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Composites

Modèle multicouches

Rupture

Layerwise models

Damage

Composite

Résumé

La rupture des structures composites stratifiées est un phénomène complexe. Elle est précédée par plusieurs mécanismes de dégradation mécanique du matériau qui dépendent des nombreux paramètres de conception (drapage, séquence d'empilement, diamètre de fixation, géométrie, ...). Bien que développée depuis une vingtaine d'années, la modélisation et la simulation de ces mécanismes reste une problématique majeure: les validations n'ont été effectuées que sur un domaine restreint d'utilisation et leur complexité limite aujourd'hui leur diffusion dans le monde de l'ingénierie. En outre, les différentes échelles de conception requièrent une large variété de modèles dont les domaines d'applications quasi disjoints rendent non trivial leurs utilisations combinées. Cette thèse a pour objectifs de:-modéliser les mécanismes de dégradation mécanique des matériaux composites pour simuler leur initiation et leur propagation sous sollicitations hors-plan statiques et dynamiques, en fonction des paramètres de conception (drapage, épaisseur, conditions aux limites, énergie d'impact, ...)- d'intégrer les mécanismes d'endommagement et de délaminage dans les matériaux composites dans le cadre de nouvelles stratégies de modélisation du multicouche formulées en contraintes, dont la gamme de structures correctement simulées est plus large que les modèles actuellement retenus,-d'y inclure également le comportement dynamique et évaluer l'efficacité et la robustesse de cette approche sur des cas-tests industriels .Elle s'inscrit dans le cadre du projet MARCOS 2 impliquant l'ONERA et Dassault Aviation dont le but est de combiner les apports de campagnes d'essais permettant de recaler les différents modèles de comportements mécaniques aux outils de simulation développés dans cet thèse afin de fournir, in fine, un outil de dimensionnement des structures composites permettant d'obtenir des critères de tenue après impact.

The failure of laminated composite structures is a complex phenomenon. It is preceded by several mechanisms of mechanical degradation of the material which depend on numerous design parameters (draping, stacking sequence, geometry, ...). Although developed since about twenty years, the modeling and simulation of these mechanisms remains a major problem: validations have been carried out only within a restricted field of use and their complexity limits their diffusion in the engineering field. In addition, the different scales of design require a wide variety of models whose almost disjointed application domains make their combined use non-trivial.The objectives of this thesis are to:-model the mechanical degradation mechanisms of composite materials to simulate their initiation and propagation under static and dynamic out-of-plane loadings, as a function of design parameters (drape, thickness, boundary conditions, impact energy, ...)- to integrate the damage and delamination mechanisms in composite materials in the framework of a stress-based layerwise theory, whose range of correctly simulated structures is wider than those of the currently retained models,-to include also the dynamic behavior of stress-based models and to evaluate the efficiency and the robustness of this approach on industrial test cases.It is part of the MARCOS 2 project involving ONERA and Dassault Aviation, whose goal is to combine the contributions of test campaigns to recalibrate the various models of mechanical behavior to the simulation tools developed in this thesis in order to provide, ultimately, a sizing tool for composite structures to obtain criteria of resistance after low velocity impacts.