D'une étude expérimental de la fissuration matricielle en statique et en fatigue des composites stratifiés vers une prévision d'endommagement à l'aide d'un modèle incrémental à variable observable

From an experimental study of static and fatigue transverse matrix cracking in laminated composites towards damage prediction using an incremental model with an observable variable

• Auteur / Autrice : Stacy Patti
• Direction : Frédéric Laurin, Pere Maimí, Jean-François Maire, Myriam Kaminski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universitat de Girona
• 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-....) - AMADE (Analysis and Advanced Materials for Structural Design) (Gérone, Espagne)
• 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 : Christian Hochard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paolo Andrea Carraro, Christophe Bois, Carlos G. Dávila
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Andrea Carraro, Christophe Bois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stratifiés

Matériaux -- Fissuration

Prévision

Composites -- Fatigue

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Mots clés libres

Modèle d'endommagement

Fatigue

Fissuration matricielle

Composite stratifié

Damage model

Fatigue

Matrix cracking

Laminated composite

Résumé

Ces travaux de thèse, menés à l’ONERA avec l’Université Paris-Saclay et en cotutelle avec l’Université de Gérone, portent sur la réalisation d’une étude expérimentale de la fissuration matricielle en statique et en fatigue dans les composites stratifiés de plis unidirectionnels, afin d’aller vers une prévision d’endommagement à l’aide d’un modèle incrémental à variable observable. Lors de la campagne expérimentale menée, plus de 70 essais multi-instrumentés de traction quasi-statique mais aussi de fatigue à amplitude constante et spectrale ont été réalisés, sur une grande diversité de séquences d’empilement, tels que des stratifiés croisés, des [0/±45]s, des quasi-isotropes et des quasi-double doubles. Ces essais ont permis d’étudier les cinétiques de fissuration des plis hors-axe, et d’identifier des effets de séquence d’empilement liés aux plis adjacents. Cette compréhension des mécanismes influant sur la fissuration des stratifiés a mené au développement d’un modèle d’endommagement avec un formalisme incrémental, adapté à la description de chargements complexes, et basé sur une variable observable, la densité de fissures. Un protocole d’identification robuste et efficace de ses paramètres, basé sur le principe des courbes maîtresses, a également été proposé. Enfin, les capacités prédictives du modèle ont été évaluées de façon très satisfaisante grâce à une comparaison aux résultats expérimentaux, et ont pu montrer les limites des approches de modélisation locales.

This Ph.D. thesis, conducted at ONERA with Paris-Saclay University and in collaboration with the University of Girona, consisted of conducting an experimental study on static and fatigue transverse matrix cracking in laminated composites in order to go towards damage prediction using an incremental model with an observable variable. During the experimental campaign, more than 70 highly instrumented tests were conducted under quasi-static tensile loading, but also constant amplitude and spectral fatigue loadings on a variety of stacking sequences, such as cross-ply, [0/±45]s, quasi-isotropic and quasi-double double laminates. These tests enabled a study of off-axis plies’ cracking kinetics and the identification of a stacking sequence effect based on the influence of neighboring plies. This understanding of mechanisms influencing laminate cracking led to the development of an incremental damage model, allowing a description of complex loadings, and based on an observable variable, the crack density. An efficient and robust identification protocol of its parameters based on the master curve notion was also proposed in this work. Finally, the model’s predictive abilities were satisfyingly assessed on experimental results and highlighted the limits of local modeling approaches.