Etude expérimentale et modélisation du comportement en dynamique rapide de matériaux composites à fibres continues et matrices thermoplastiques

Experimental study and modeling in rapid dynamic of the behaviour of composite materials with continuous fibres and thermoplastic matrix

• Auteur / Autrice : Arnaud Clou
• Direction : Patrice Bailly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 15/05/2023
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Bailly, Franck Delvare, Jean-Benoit Kopp, Jean-Luc Hanus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Delvare, Jean-Benoit Kopp

Mots clés

Mots clés libres

Comportement dynamique

Composite thermoplastique

Barres de Hopkinson

Corrélation d'images numériques

Dynamic behaviour

Thermoplastic composite

Split Hopkinson pressure bars

Digital images correlation

Résumé

Les matériaux composites à matrice thermoplastique sont utilisés dans les industries des transports en raison de leurs propriétés mécaniques. Les structures utilisant ces matériaux, tels que des châssis automobiles ou des éléments d’aéronefs, sont soumises à des sollicitations rapides comme des chocs, des crash et des impacts. La connaissance du comportement dynamique de ces matériaux est donc essentielle pour le dimensionnement des structures. L'effet de la vitesse de déformation sur le comportement mécanique d'un composite stratifié carbone/polyamide est caractérisé expérimentalement. A l'issue d'un état de l'art mettant en évidence les difficultés de caractérisation dynamique, des dispositifs spécifiques, originaux, sont conçus. Ils permettent de mener des essais quasi-statiques et dynamiques en conservant la même géométrie d’éprouvette. Les essais de compression sont réalisés avec une machine électromécanique pour les faibles vitesses et des barres de Hopkinson pour la caractérisation dynamique. Une attention particulière est portée à l’équilibre dynamique des efforts, permis notamment par l’utilisation d’un modeleur d’impulsion. Le suivi par imagerie rapide permet d’analyser l’homogénéité des déformations et la validité des conditions d'essais. Des essais complémentaires sont réalisés dans la gamme des vitesses de déformation intermédiaires. Le comportement en traction du matériau est également investigué en quasi-statique et en dynamique. Pour cela, les barres de Hopkinson sont utilisées dans une configuration de traction indirecte. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l'effet de la vitesse de déformation sur les propriétés mécaniques du matériau.

Thermoplastic matrix composite materials are increasingly used in the transportation industries due to their mechanical properties. Structures using these materials, such as automobile chassis or aircraft components, are subjected to rapid loadings such as shocks, crashes and impacts. The knowledge of the dynamic behaviour of these materials is essential for the sizing of structures. The strain rate effect on the mechanical behaviour of a laminated carbon/polyamide composite is experimentally characterized. After a bibliographic study highlighting the difficulties of dynamic characterization, specific and original devices are designed. They allow quasi-static and dynamic tests to be carried out while maintaining the same specimen geometry. The compression tests are carried out with an electromechanical machine for low speeds and Hopkinson bars for dynamic characterization. Particular attention is paid to the dynamic stress equilibrium, made possible in particular by the use of a pulse shaper. High speed video recording allows strain homogeneity checking and failure mode observation. Using a drop weight tower, additional tests are carried out in the range of intermediate strain rates. The tensile behaviour of the material is also investigated in quasi-static and dynamic. Therefore, Hopkinson bars are used in an indirect pull configuration. The experimental results highlight the strain rate effect on the mechanical properties of the material.