Fatigue de composites thermoplastiques à fibres courtes pour applications aéronautiques sous sollicitations de compression : loi de comportement et approche de dimensionnement

Fatigue of thermoplastic composites with short fibers for aeronautical applications under complex compressive loadings : behavior law and dimensioning criteria

• Auteur / Autrice : Vanessa Kwiatkowski
• Direction : Yann Marco, Matthieu Le Saux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Safran Landing Systems (Vélizy-Villacoublay, Yvelines)
• Jury : Président / Présidente : Carole Nadot-Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Bouvard, Ida Raoult, Sylvain Leclercq
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Habibou Maitournam, Nicolas Saintier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Composites thermoplastiques

Composites -- Fatigue

Mots clés libres

Thermoplastiques renforcés de fibres courtes

Compression

Fatigue

Autoéchauffement

Loi de comportement

Short fiber reinforced thermoplastics

Compression

Fatigue

Self-heating

Behavior Law

Résumé

L’intérêt envers les thermoplastiques renforcés par des fibres courtes de carbone est grandissant dans le domaine de l’aéronautique. La prévision du comportement en fatigue de structures constituées de ces matériaux soulève de nombreuses problématiques, du fait notamment de la distribution d'orientation hétérogène complexe des fibres, induisant une forte anisotropie. De nombreux travaux ont été menés sur ce type de matériau mais peu concernent des sollicitations en compression. Dans l’objectif de prévoir la durée de vie à grand nombre de cycles du PEEK CF30 (PolyEtherEtherKetone renforcé de 30% en masse de fibres courtes en carbone) pour des chargements en compression, une démarche de dimensionnement en fatigue est proposée. Un protocole permettant de réaliser des essais de compression cyclique bien contrôlés est développé. Des essais de fatigue et des essais d’autoéchauffement sont réalisés à température ambiante, pour différents rapports de charges (en compression notamment) et pour différentes directions de sollicitation. Des critères de fatigue permettant de prévoir la durée de vie de manière unifiée, pour différentes directions de sollicitation et différents rapports de charge, sont identifiés. La possibilité d’accélérer la caractérisation de la fatigue à l’aide de la méthode d’autoéchauffement est évaluée. Le comportement mécanique en compression du matériau est investigué pour identifier les paramètres d’une loi de comportement visco-élasto-plastique anisotrope, visant à prévoir les grandeurs intervenant dans les critères de fatigue retenus et à affiner l’interprétation des courbes d’auto-échauffement et du lien avec la fatigue.

The interest in thermoplastics reinforced with short carbon fibers is growing in the aeronautical field. The prediction of the fatigue behavior of structures made of these materials raises many issues, due to the complex heterogeneous orientation distribution of the fibers, inducing a strong anisotropy. Many works have been carried out on this type of material but few concern compressive loadings. In order to predict the high cycle life of PEEK CF30(PolyEtherEtherKetone reinforced with 30% in weight of short carbon fibers ) for compressive loading, a fatigue design approach is proposed. A protocol to perform well-controlled compression tests is developped. Fatigue tests and self-heating tests are performed at room temperature, for different load ratios (in compression in particular) and loading directions. Fatigue criteria allowing to predict the fatigue life in a unified way for different loading directions and load ratios are identified. The possibility of accelerating fatigue characterization using the self-heating method is evaluated. The mechanical behavior in compression of the material is investigated to identify the parameters of an anisotropic visco-elasto-plastic behavior law, aimed at predicting the quantities involved in the selected fatigue criteria and refining the interpretation of self-heating curves and the link with fatigue.