Etude et modélisation d'impacts sur structures composites hybrides mousse époxy - plis d'aramide

Study and modelling of impacts on hybrid epoxy foam - aramid ply composite structures

• Auteur / Autrice : Lara Boutros
• Direction : Jean-François Ferrero, Issam Tawk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université de Balamand (Tripoli, Liban)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Ferrero, Issam Tawk, Pablo Navarro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Rozycki, Olivier Polit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résines époxydes

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Composite

Fibre architecturée

Blindage

Fibers

Modeling

Composite

Résumé

L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement à l'impact d'une nouvelle structure hybride, constituée d'une mousse époxy et de plis d'aramide. L'étude est composée de deux axes principaux avec une partie expérimentale et une partie d'étude numérique. Dans la partie expérimentale, plusieurs configurations de structures sont fabriquées et testées pour étudier l'influence du nombre et de l'emplacement des plis d'aramide, ainsi que de la densité de la mousse époxy sur la résistance à l'impact. Une série de tests à basse et haute vitesse a été réalisée. La capacité de protection des structures hybrides est évaluée en mesurant l'indentation permanente et l'indentation résiduelle après l'impact sur un matériau de référence. Un modèle numérique est développé pour simuler le comportement à l'impact des structures hybrides. Les plis d'aramide sont modélisés avec une stratégie de modélisation 3D semi-continue, développée au cœur de ce travail. La mousse époxy est modélisée avec une loi de matériau intégrée pour les mousses endommageables. Le modèle numérique est ensuite implémenté dans le logiciel d'éléments finis Radioss. Une caractérisation mécanique est effectuée sur les matériaux étudiés, afin d'examiner leur comportement et de définir les paramètres et lois nécessaires, en amont de la modélisation. Le modèle numérique est alors capable de prédire les mécanismes d'endommagement des structures hybrides, tels que la rupture des fibres, la fissuration de la matrice pour les plis d'aramide, et l'écrasement pour la mousse époxy. Le modèle numérique pourra ainsi servir d'outil de développement et d'optimisation dans les travaux ultérieurs.

This work aims to study the impact behavior of a new hybrid epoxy foam/ aramid plies structure. The study includes two main parts: an experimental and a numerical one. In the experimental part, several structure configurations are fabricated and tested to assess the influence of the number and location of the aramid plies and the epoxy foam density on their resistance to impact. A series of low-velocity and high-velocity tests are achieved. The protection capacity of the hybrid structures is evaluated by assessing the permanent indentation and the indentation left post impact on reference material. A numerical model is developed to simulate the impact behavior of the hybrid structures. The aramid plies are modeled with a semi-continuous modeling strategy developed at the core of this work. The epoxy foam is modeled using a standard material law for crushable foams; the numerical model is implemented in the finite element software Radioss. Mechanical characterization is performed on the studied materials to examine their behavior and to define needed parameters for the constitutive models. The numerical model can predict the mechanisms of failure in the hybrid structures, characterized by fiber breakage and matrix crack for the aramid and crushing for the epoxy foam. The numerical model will serve as an optimization tool in future work.