Prise en compte du vieillissement et de l’endommagement dans le dimensionnement de structures en materiaux composites

Prediction of lifetime of composites materials structures taking into consideration aging and damage.

• Auteur / Autrice : Julien Mercier
• Direction : Anthony Roland Bunsell, Jacques Renard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Mots clés libres

Fissuration

Endommagement

Résumé

La présente étude traite de la durabilité (vieillissement) en milieu humide et de l’endommagement par fissuration de matériaux composites à matrice organique (CMO). La diffusion d’eau dans le matériau (matrice époxy renforcée par des fibres de verre) est tout d’abord analysée expérimentalement par détermination des cinétiques d’absorption sous différentes conditions d’humidité. Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction de la quantité d’eau absorbée sont mises en évidence et quantifiées lors d’essais expérimentaux de traction. Les mécanismes physiques à l’origine de ces modifications sont identifiés. Un mode d’endommagement particulier, la fissuration intralaminaire, ainsi que son couplage avec l’humidité, sont aussi étudiés expérimentalement. Des différences entre évolutions réversibles et irréversibles de propriétés identifiées et analysées en détail. Un modèle prédictif qui prend en compte les effets d’endommagements d’origine hydrique et/ou mécanique est alors proposé. Un calcul couplé diffusion/mécanique, sur un logiciel de modélisation par éléments finis, permet de déterminer le comportement global du matériau, connaissant le gradient de propriété suivant l’épaisseur. Il est donc possible de suivre en continu au cours du vieillissement l’évolution de rigidité du matériau, pour n’importe quel état de fissuration et d’absorption (i. E. N’importe quel état intermédiaire entre état sec et état saturé en eau). Il est ainsi possible de simuler n’importe quelle condition (température, humidité, épaisseur, chargement appliqué) et donner une estimation des propriétés du matériau tout au long de son utilisation.

The aim of this study was to better understand the aging of glass fibres-epoxy composites exposed to humid conditions and loading so as to predict its effects on the lifetimes of composite structures. Water diffusion was first experimentally investigated by gravimetric method to determine water sorption kinetics for different humid conditions. A fickian model of diffusion could describe the results obtained. Specimens, saturated at different levels, were mechanically characterised. Decreases of mechanical properties as a function of water uptake were revealed by tensile tests. Damage by cracking and the coupling with humidity were then studied. Differences between reversible and irreversible changes in properties were revealed and analysed in detail. A predictive model taking into account effects due to water and/or mechanical loading is proposed, using finite element method. As a first step, in modelling the diffusion process, the non-uniform water distributions across the composite are determined for any conditions (temperature, humidity, aging time). The resulting mechanical properties of the material, as a function of the absorbed water concentration, are determined in each point. Then, diffusion/mechanic coupled calculation allows to determine material global properties from properties at each point. It is then possible to predict continuous evolution of rigidity during aging time, at all stages of water absorption and matrix cracking, for any condition (temperature, humidity, thickness, mechanical loading level).