Caractérisation et modélisation d'une structure sandwich à âme nid d'abeille Nomex sous sollicitations dynamiques complexes

Characterization and modeling of a Nomex honeycomb core sandwich structures under complex dynamic loads

• Auteur / Autrice : Louis Bridonneau
• Direction : Jean-François Ferrero, Steven Marguet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Coutellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Ferrero, Steven Marguet, Daniel Coutellier, Federica Daghia, Jean-Claude Grandidier, Bruno Castanié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Federica Daghia, Jean-Claude Grandidier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vérification de modèles (informatique)

Cisaillement (mécanique)

Structures en nid d'abeille

Mots clés libres

Impact

Structure sandwich

Comportement mécanique

Chargements combinés

Impact

Sandwich panel

Mechanical behaviour

Combined loads

Résumé

Dans l'industrie des transports, les panneaux sandwichs à âme en nid d'abeille sont souvent utilisés pour réaliser des pièces structurelles du fait de leur capacité à apporter un haut niveau de performance spécifique. Ils peuvent présenter des formes courbes et être exposés à des impacts ou à des crashs. L'âme nid d'abeille est alors exposée à des sollicitations hors-plans combinées de compression-cisaillement de part l'angle du choc et la courbure du panneau. Sa ruine en cours d'écrasement est donc pilotée par le couplage du comportement instable en compression et des réponses mécaniques en cisaillement hors plan, qui proviennent de la nature fortement orientée de la structure alvéolaire du nid d'abeille. Ces travaux de thèse ont pour objectif de quantifier l'impact de ces deux couplages sur la réponse mécanique macroscopique d'une structure sandwich à âme nid d'abeille Nomex(r). Dans un premier temps, un montage expérimental permettant de caractériser le comportement d'une éprouvette sandwich à âme nid d'abeille Nomex(r) soumise à plusieurs ratios de chargement compression-cisaillement a été conçu, dimensionné et validé. Ce montage, inédit, est équipé d'une cellule d'effort tri-axiale combinée à un système de corrélation d'images numériques. Il a permis de quantifier l'impact de l'angle de cisaillement dans le plan et du ratio compression-cisaillement sur la réponse mécanique du nid d'abeille stabilisé étudié. Dans un second temps, le montage développé a été mis en œuvre dans un dispositif de tour de chute, afin de réaliser des essais de cisaillement hors-plan dynamiques. Les résultats obtenus ont mis en évidence la dépendance du comportement de cisaillement de la structure sandwich étudiée à la vitesse de déformation. Ces travaux expérimentaux ont servi de base au développement d'un modèle élément fini discret, basé sur les arêtes verticales de la structure nid d'abeille. Ce modèle a pour ambition de modéliser les couplages observés, tout en assurant un temps de calcul raisonnable pour l'application à des structures de grandes dimensions. La capacité de ce modèle, de cellule élémentaire constituée d'un élément poutre et d'un ressort uni-axial de compression, à modéliser les couplages observés expérimentalement est discutée dans la dernière partie du manuscrit. Ces travaux de recherche ouvrent la voie à la caractérisation dynamique avec couplage compression-cisaillement, et à un dialogue essais-calculs sur des éprouvettes soumises au crash.

In the transportation industry, honeycomb core sandwich panels are often used for structural parts because of their ability to provide a high level of specific performance. They can have curved shapes and can be exposed to impacts or crashes. The honeycomb core is then exposed to combined out-of-plane compression-shear stresses due to the angle of the impact and the curvature of the panel. Its collapse during crushing is thus driven by the coupling of unstable compressive behavior and out-of-plane shear mechanical responses, which arise from the highly oriented nature of the honeycomb structure. The objective of this thesis work is to quantify the impact of these two couplings on the macroscopic mechanical response of a Nomex(r) honeycomb core sandwich structure. Firstly, an experimental apparatus allowing to characterize the behavior of a Nomex(r) honeycomb core sandwich specimen subjected to several compression-shear loading ratios has been designed, dimensioned and validated. This new setup is equipped with a tri-axial load cell combined with a digital image correlation system. It allowed us to quantify the impact of the in-plane shear angle and of the compression-shear ratio on the mechanical response of the studied stabilized honeycomb. In a second step, the developed setup was implemented in a drop tower device to perform dynamic out-of-plane shear tests. The results obtained highlight the dependency of the shear behavior of the studied sandwich structure to the strain rate. These experimental works were used as a basis for the development of a discrete finite element model, based on the vertical edges of the honeycomb structure. This model aims to simulate the observed couplings, while ensuring a reasonable computation time for the application to large structures. The ability of this model, of an elementary cell composed of a beam element and a uniaxial compression spring, to model the couplings observed experimentally is discussed in the last part of the manuscript. This research work opens the way to dynamic characterization with compression-shear coupling, and to a test-simulation dialogue on specimens subjected to crash.