Contribution à l'étude de l'impact à faible vitesse de composite biosourcé à fibres de lin : analyse expérimentale et modélisation numérique

Contribution to the study of low velocity impact on biobased composite : experimental analysis and numerical modelling

• Auteur / Autrice : Adélaïde Leroy
• Direction : Rézak Ayad, Franck Toussaint
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, génie mécanique, productique, transport et génie civil
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM) - EA 7548
• Jury : Président / Présidente : Gildas L'Hostis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rézak Ayad, Franck Toussaint, Fabienne Touchard, Damien Soulat, Xiao Lu Gong, Emile Roux, Daniel Scida
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Touchard, Damien Soulat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Textiles et tissus stratifiés

Indentation des matériaux

Éléments finis, Méthode des

Lin

Mots clés libres

Composites à fibres de lin

Impact à faible vitesse

Indentation quasi statique

Analyse expérimentale

Modélisation numérique

Eléments finis

Flax-Fiber composites

Low velocity impact

Quasi-Static indentation

Experimental analysis

Numerical modelling

Finite elements

Résumé

Ce travail de thèse a deux objectifs : (i) mieux comprendre le comportement à l'impact à faible vitesse des composites à fibres de lin, (ii) fournir aux chercheurs et ingénieurs un outil de modélisation pour intégrer ces composites dans des applications (semi-)structurelles. Dans ce but, l'indentation quasi-statique a été étudiée et comparée à l'impact. Les stratifiés 6 plis, fabriqués à partir d'une résine époxy et d'un renfort tissé de lin sergé 2×2, sont soumis à des essais d'impact et d'indentation à des niveaux d'énergie comparables. De grandes similitudes sont observées entre les deux essais dans les courbes charge-déplacement, la capacité d'absorption d'énergie, les endommagements visibles. Les différences sont minimes : 2,1% pour la raideur linéaire, 0,2-5,6% pour la charge maximale, moins de 7% pour les proportions d’énergie absorbée. La comparaison des endommagements d’indentation analysés par l'émission acoustique suggère des mécanismes et séquences d'apparition similaires aux résultats d'impact de la littérature. Des modèles par éléments finis sont aussi développés : un modèle élastique d'indentation d'un quart de plaque en appui simple (6 plis orthotropes homogénéisés, éléments solides-coques), puis un modèle d'endommagement pour tissés et ajout d’une bride (solide rigide). Après validation du premier sur un matériau de référence, le second s’avère exploitable et prometteur. Jusqu'à 15 J, il fournit une bonne prédiction du comportement d'indentation et d'impact des stratifiés lin tissé, comparée aux données expérimentales. Il permet aussi la modélisation et la visualisation de certains mécanismes d'endommagement en accord avec les observations expérimentales.

This PhD work has two aims: (i) gain more insight into the low velocity impact behavior of flax-fiber reinforced composites, (ii) provide researchers and engineers with a modelling tool for incorporating biocomposites into semi-structural or structural applications. For this purpose, quasi-static indentation is investigated and compared with impact.The 6-ply samples, made from an epoxy resin and a flax 2×2 twill fabric reinforcement, are submitted to impact and indentation tests at comparable energy levels. Good analogies are observed between both tests with great similarities in load-displacement curves, energy absorption capacity and visible damage. Differences remain low: 2.1% for linear stiffness, 0.2 to 5.6% for peak load, less than 7% for absorbed energy ratio. The comparison of the indentation damage analysed from the acoustic emission data with literature impact results suggest similar mechanisms and onset sequences.Numerical finite element models are also developed: an indentation model of a simply supported quarter plate (6 homogenized orthotropic plies, solid-shell elements, linear elastic behavior) and then a constitutive damage model adapted to woven-reinforced plies with a clamp added as a solid rigid body. After validating the former model using a reference material, the latter model is proving to be workable and promising. Up to 15 J, it provides a good prediction of the indentation and impact behavior of flax-woven laminate composites, compared to experimental data. It also allows the modelling and visualization of certain damage mechanisms, which appear in accordance with experimental observations.