Compréhension et modélisation de l’influence de l’ordre d’empilement sur les scénarios d’endommagement dans des composites stratifiés de plis unidirectionnels

Understanding and modelling of the influence of the stacking sequence on damage scenario within laminated composites of unidirectional plies

• Auteur / Autrice : Matthieu Nicol
• Direction : Frédéric Laurin, Jean-François Maire, Martin Hirsekorn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 24/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Pedro P. Camanho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Sahbi Loukil, Nadia Bahlouli, Emmanuel Baranger, Éric Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Sahbi Loukil, Nadia Bahlouli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fissuration

Stratifiés

Composites

Mots clés libres

Modélisation

Essais multi-Instrumentés

Endommagement

Composites stratifiés

Effet de séquence d’empilement

Modelling

Multi-Instrumented tests

Damage

Laminated composite

Stacking sequence

Résumé

Ces travaux de thèse CIFRE (ONERA/Safran Composites) s'intéressent à un matériau composite stratifié de plis unidirectionnels carbone--époxy et portent sur la compréhension de l'influence de l'ordre d'empilement des plis sur le développement de la fissuration au sein du matériau.Une campagne expérimentale conséquente a été menée, avec des essais richement instrumentés pour, d'une part, identifier les propriétés du pli élémentaire et, d'autre part, étudier les cinétiques de fissuration dans plusieurs types d'empilement, présentant notamment des ordres d'empilement des plis différents.Ces essais ont montré, selon l'ordre d'empilement des plis, une interaction de la fissuration dans un pli sur l'amorçage de la fissuration dans les plis voisins.En parallèle, un modèle d'endommagement discret a été développé pour étudier numériquement ces mécanismes d'interaction localisés, qui échappent aux modèles continus actuels.Cette approche consiste en l'insertion explicite de fissures dans un maillage éléments finis et en un critère couplé d'amorçage des fissures.Ce modèle permet d'expliquer les tendances d'amorçage observées lors des essais.Enfin, les conclusions du modèle discret ont permis d'esquisser des pistes d'enrichissement d'un modèle d'endommagement continu pour y intégrer de manière homogénéisée les effets d'ordre d'empilement.Ces travaux ont amélioré la compréhension des mécanismes d'endommagement et des effets de stratification au sein de l'ONERA et de Safran.

This thesis work (CIFRE ONERA with funding from Safran Tech) considers a laminated composite material of unidirectional carbon-epoxy plies and focuses on the understanding of the influence of the stacking order of the plies on the development of cracking within the material.A thorough experimental campaign was carried out, with richly instrumented tests to identify the properties of the ply and study the crack densities in several types of layups, presenting in particular different stacking orders of the plies.These tests showed, depending on the plies' stacking order, an influence of transverse cracks in one ply on crack initiation in the neighbouring plies.In parallel, a discrete damage model has been developed to study numerically these localized interaction mechanisms, which currently lack in available continuous models.This approach consists in the insertion of cracks in a finite element mesh and in a coupled criterion for crack initiation.This model can describe the trends of crack initiations observed during the tests.Finally, the conclusions of the discrete model have allowed to outline ways of enriching a continuous damage model in order to integrate the effects of stacking order in a homogenized manner.This work has improved the understanding of damage mechanisms and stratification effects within ONERA and Safran.