Modélisation discrète et étude expérimentale du comportement de matériaux sandwichs à peaux minces architecturées sous impact basse vitesse

Discrete Modeling and Experimental Study of the Behavior of Thin Skin Sandwich Materials under Low Velocity Impact Loading

• Auteur / Autrice : Maxime Merle
• Direction : Marco Gigliotti, Jean-Claude Grandidier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Angela Vincenti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Dau, Arnaud Germaneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Guillaumat, Steven Marguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résines époxydes

Plasticité

Mousses (matériaux)

Méthode des éléments discrets

Matières plastiques renforcées avec des fibres

Matériaux sandwichs

Matériaux -- Essais dynamiques

Impact

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Éléments finis, Méthode des

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Architecture de peau

Impact basse vitesse

Skin architecture

Low velocity impact

Résumé

Lors de situations critiques du vol, la tête des passagers peut venir heurter leur environnement direct. Un critère nommé Head Injury Criterion (HIC), établi par les agences de certification des domaines du transport, permet de quantifier le risque de lésions susceptibles de survenir lors de tels évènements. Afin de minimiser ce risque de lésions, des efforts de conception et de dimensionnement sont nécessaires pour obtenir des structures composites d’intérieur cabine adaptées. Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans ce contexte de compréhension et de modélisation du comportement de matériaux et de structures représentatifs impactés, les composites sandwichs à peaux minces. Les masses et vitesses mises en jeu permettent de positionner cette étude dans le cadre des chargements dynamiques d’impact basse vitesse. Les analyses se sont plus spécifiquement concentrées sur l’influence de l’architecture des peaux et de l’agencement des torons de fibres sur le comportement local et global de la structure. Dans le but de remplir ces objectifs, les manipulations expérimentales et les éprouvettes de ces travaux ont été spécialement pensées et conçues, de manière à isoler la contribution de l’organisation des torons. Ainsi, différents empilements de peaux à iso-raideur uniaxiale ont été réalisés, à l’aide d’une dépose effectuée par un bras robot, sur une âme en mousse adaptée aux chargements dynamiques d’impact.Dans un premier temps, un élément fini a été développé en suivant une approche discrète, afin de simuler numériquement le comportement de composites plastiques renforcés par des fibres rigides. Dans un seconde temps, une campagne d’essais a été mise en œuvre, afin caractériser,puis de modéliser numériquement, les matériaux d’âme et de peau constitutifs des composites sandwichs architecturés de l’étude. Enfin, une seconde campagne d’essais a été mise en œuvre,dans le but de pouvoir tester les capacités prédictives du modèle numérique développé.

Passengers’ heads can come into contact with their direct environment during critical flight situations. A criterion called Head Injury Criterion (HIC), which has been established by transportation certification agencies, quantifies the risk of injury that may occur during such events. To minimize the risk of head injury, some efforts are required to design and obtain suitable composite cabin interior furniture. The work presented in this manuscript is part of this context of understanding and modeling the behavior of representative impacted materials and structures, that is to say, thin skin sandwich composites. The masses and velocities involved put this study within the framework of low-velocity dynamic impact loadings. More specifically, the analysis focuses on the influence of the skin architectures and of the reinforement fiber patterns on the local and global behavior of the structure. In order to meet these objectives, the experimental set up and the specimens of this work have been specially designed to put in light the contribution of the strand organization. Thus, different stacks of uniaxial iso-stiffness skins have been realized using a robotic arm, on a foam core well suited to dynamic impact loadings.In a first step, a finite element was developed following a discrete approach, in order to numerically simulate the behavior of plastic composites reinforced by rigid fibers. In a second step, a test campaign was conducted to characterize, and then to numerically model, the core and skin materials of the architectured sandwich composites of the study. Finally, a second test campaign was done, in order to test the predictive capabilities of the numerical model developed.