Étude, caractérisation et modélisation des contraintes résiduelles dans les composites stratifiés à renforts fibreux

Study, characterisation and modelling of residual stresses in fiber-reinforced composite laminates

• Auteur / Autrice : Aboubakar Sédick Ibrahim Mamane
• Direction : Gildas L'Hostis, Marie-José Pac, Sylvain Giljean
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Résistance des matériaux

Composites à fibres

Mesure

Contraintes résiduelles

Mots clés libres

Composites à renforts fibreux

Contraintes résiduelles

Simulations par éléments finis

Erreurs expérimentales

Correction numérique

Fiber-reinforced composites

Residual stresses

Finite element simulations

Experimental errors

Digital correction

Résumé

Cette thèse porte sur la mesure du profil des contraintes résiduelles dans les composites à renfort fibreux par la méthode du trou incrémental. Dans cette étude, des outils numériques et expérimentaux adaptés à la mesure des contraintes résiduelles ont été développés et les comportements thermiques, chimiques et mécaniques des composites pendant l’enlèvement de matière ont été analysés. Une compréhension approfondie et complète de la méthode du trou incrémental est nécessaire à la détermination fiable du gradient des contraintes résiduelles dans les composites. Cette méthode consiste en un perçage progressif au travers de l’épaisseur du matériau. Les déformations de relaxation induites par le perçage sont mesurées pour chaque incrément de profondeur. Ces déformations sont ensuite converties en contraintes grâce à des coefficients de calibration calculés par simulations numériques (méthode des éléments finis).Dans la partie numérique, un modèle éléments finis configurable basé sur du Abaqus Scripting (routines codés en Python) est développé pour automatiser le calcul des coefficients de calibration. Ce modèle configurable a également été utilisé pour effectuer des études paramétriques sur la méthode du trou incrémental afin d’évaluer la sensibilité de cette méthode aux erreurs expérimentales. Cela a permis d’identifier les étapes critiques du protocole expérimental et de proposer des solutions pour minimiser les erreurs. Dans la partie expérimentale, le dispositif conçu et fabriqué pour mesurer les déformations de relaxation est présenté. Ce dispositif est développé de manière à minimiser les erreurs telles que : les erreurs sur la profondeur d’incrément, le mauvais alignement des jauges de déformations par rapport aux fibres et l’excentricité du trou par rapport à la rosette. Les contraintes résiduelles d’échantillons unidirectionnels fabriqués dans différentes conditions sont déterminées. La réponse thermique des jauges pendant le perçage, ainsi que les conséquences de l’échauffement sur les propriétés chimiques locales de la résine sont étudiées.

This thesis focuses on the measurement of the residual stress profile in fiber-reinforced composites by the incremental hole drilling method. The objective is to develop numerical and experimental tools adapted to the measurement of residual stresses and to study the thermal, chemical and mechanical behaviors of the composites during the drilling. A thorough and comprehensive understanding of the incremental hole drilling method is required to reliably determine the gradient of residual stresses in the composite. This method consist of drilling a small hole incrementally through the thickness of the material and measuring the induced relaxation strains for all increments. These relaxation strains are then converted into stresses using coefficients called calibration coefficients. The calibration coefficients are calculated by finite element simulations. Thus, this work can be summarized into a numerical and experimental part.In the numerical part, a configurable numerical model based on Abaqus Scripting is developed to automate the calculation of the calibration coefficients. This configurable model was also used to perform parametric simulations of the incremental hole drilling method to assess the sensitivity of the method to experimental errors. This allow to identify the critical stages of the experimental protocol and to propose solutions to minimize errors.1In the experimental part, the device developed to measure the relaxation strains is presented. This device is developed in such a way as to minimize errors such as errors on increment depth, misalignment of the gages with respect to the fibers and eccentricity of the hole. The residual stresses of samples manufactured under different conditions are determined. The response of the gages to the heat induced by the drilling and the consequences on the local chemical properties of the resin are studied.