Prévision de la durée de vie en fatigue de structures composites stratifiées à l'aide d'un modèle d'endommagement incrémental à variables observables

par Stacy Patti

Projet de thèse en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Frederic Laurin et de Jean-François Maire.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay en cotutelle avec l'Universitat de Girona , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec ONERA - MAS - Matériaux et structures (laboratoire) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne) (référent) depuis le 12-10-2020 .


  • Résumé

    Afin de répondre à la demande de l'industrie aéronautique pour des avions civils plus légers, plus sûrs et moins polluants, les matériaux composites stratifiés, qui présentent des propriétés spécifiques élevées, sont massivement utilisés pour la fabrication des avions civils de dernière génération. Comme les matériaux composites laminés présentent une résistance à la fatigue supérieure à celle des matériaux métalliques, les pièces composites sont soumises à des conditions de charge de plus en plus sévères et à une durée de vie plus longue. L'estimation de la durée de vie en fatigue ou des propriétés résiduelles après une charge de fatigue deviendra un problème industriel dans les prochaines années. La résistance ou la durée de vie en fatigue est fortement liée à l'état d'endommagement du matériau composite. La prévision de l'évolution des dommages lors d'une charge de fatigue complexe réelle et son influence sur la résistance du matériau sont encore des questions scientifiques ouvertes. Par conséquent, la thèse de doctorat proposée porte sur l'étude expérimentale et numérique de l'évolution des dommages lors des essais de fatigue des structures composites stratifiées jusqu'à la rupture finale de la pièce. Afin d'établir le scénario d'endommagement et de défaillance d'une nouvelle génération de matériau composite stratifié carbone/époxy, des essais de fatigue multi-instrumentés sur différentes séquences d'empilement seront réalisés à l'Onera. Une attention particulière sera accordée à la caractérisation du comportement en cisaillement et à la mesure de l'évolution de la densité des fissures transverses dans les plis lors des essais de fatigue, en utilisant différentes techniques de mesure telles que l'émission acoustique, la corrélation d'images numériques ou la tomographie par rayons X, qui est une grandeur physique et observable clé. Certains essais de fatigue seront interrompus avant la rupture puis soumis à nouveau à une charge statique afin d'estimer expérimentalement les propriétés résiduelles du matériau. Une approche unifiée d'endommagement et de rupture pour les matériaux composites stratifiés fabriqués avec des plis unidirectionnels sera proposée dans cette thèse de doctorat. Un modèle d'endommagement existant [6], capable de prévoir la densité des fissures transverses dans différents stratifiés soumis à une charge statique, sera étendu pour prévoir l'évolution des dommages pendant la charge de fatigue. Une formulation d'endommagement incrémental déjà proposée et validée pour les composites tissés 3D à matrice polymère [7] sera adaptée afin de pouvoir simuler des charges de fatigue complexes. Une telle méthodologie est une alternative à la méthode Rainflow associée à l'approche classique des dommages cumulatifs, en fonction du nombre de cycles et d'autres paramètres de charge de fatigue, et permet d'envisager une charge de fatigue spectrale réelle sans hypothèse supplémentaire. L'approche proposée sera identifiée et validée en utilisant les données expérimentales générées dans cette thèse de doctorat sur différents stratifiés. Une procédure d'identification claire sera élaborée en tenant compte des informations fournies par les différentes techniques de mesure. Ensuite, les prévisions de durée de vie en fatigue et de résistance résiduelle seront comparées aux données expérimentales pour déterminer les capacités prédictives du modèle. La dispersion des résultats d'essais de fatigue sur les composites stratifiés est généralement assez importante et impose de ne pas considérer un tel problème de manière déterministe. En effet, pour les problèmes de fatigue, il est nécessaire de considérer les différentes sources d'incertitude [9], en tenant compte par exemple de l'influence de la dispersion sur les propriétés mécaniques à l'échelle du pli UD sur les performances macroscopiques (rigidité, résistance et durée de vie en fatigue). Enfin, l'approche d'endommagement progressif sera mise en œuvre dans un code commercial à éléments finis afin de prévoir la durée de vie en fatigue des structures composites stratifiées. Afin de limiter le temps de calcul d'une telle simulation pour un grand nombre de cycles (environ 1 million de cycles), une stratégie de calcul efficace, basée sur une méthode de saut de cycles [10] et déjà disponible à l'Onera, sera utilisée. Certains essais de fatigue multi-instrumentés sur des structures composites contenant des gradients de contrainte multi-axiaux seront également réalisés, analysés et comparés à la méthodologie proposée afin d'évaluer ses capacités prédictives.

  • Titre traduit

    Prediction of the fatigue lifetime of laminated composite structures using a kinetic damage model with observable variables


  • Résumé

    In order to answer the request of aeronautical companies for lighter, safer and less polluting civil aircraft, laminated composite materials, which present high specific properties, are massively used for the manufacturing of the latest generation of civil aircraft. Because laminated composite materials exhibit higher fatigue resistance than that of metallic materials, composite components are subjected to increasingly severe loading conditions and for longer lifetimes.The estimation of the fatigue lifetime or the residual properties after fatigue loading will become an industrial issue in the next few years. Strengths or fatigue lifetimes are strongly linked to the damage state within the composite material. The prediction of damage evolution during real complex fatigue loading and its influence on the strength of the material are still scientific issues. Therefore, the proposed doctorate thesis deals with the experimental and numerical study of the damage evolution during fatigue tests of laminated composite structures until the final failure of the component. In order to establish the damage and failure scenario of a new generation of Carbon/Epoxy laminated composite material, some classical multi-instrumented fatigue tests on different stacking sequences will be performed at Onera. A special attention will be paid to characterize the shear behavior and to measure the evolution of the transverse crack density in plies during fatigue tests, using different measurement techniques such as acoustic emission, digital images correlation or X-Ray tomography, which is a key physical and observable quantity. Some fatigue tests will be stopped before failure and then re-subjected to static loading in order to estimate experimentally the residual properties of the material. A unified damage and failure approach for laminated composite materials manufactured with unidirectional plies will be proposed in this Phd-thesis. An existing damage model [6], able to predict the transverse crack density in different laminates subjected to static loading, will be extended to predict damage evolution during fatigue loading. An incremental damage formulation already proposed and validated for 3D woven composites with polymer matrix [7], will be adapted in order to be able to simulate complex fatigue loading. Such a methodology is an alternative to the Rainflow method associated to classical cumulative damage approach, depending on the number of cycles and other fatigue loading parameters, and allows considering real spectral fatigue loading without additional assumptions. The present approach will be identified and validated using the experimental data generated in this Phd-thesis on different laminates. A clear identification procedure will be developed considering the information provided by the different measurement techniques. Then, the fatigue lifetime and residual strengths predictions will be compared to experimental data to determine the predictive capabilities of the model. The material scattering observed during fatigue tests on laminated composites is usually rather large and impose to not consider such a problem in a deterministic manner. Indeed, for fatigue problem, it is a necessity to consider the different sources of uncertainty [9], taking into account for instance the influence of the mechanical properties scattering at the ply scale on the macroscopic performances (rigidity, strength and fatigue lifetime). Finally, the present incremental damage approach will be implemented in a commercial finite element code in order to predict the fatigue lifetime of laminated composite structures. In order to limit the computational time of such a simulation for a large number of cycles (around 1 million cycles), an efficient computational strategy, based on a jump cycle method [10] and already available at Onera, will be used. Some multi-instrumented fatigue tests on composite structures containing multi-axial stress gradients will be also performed, analyzed and compared to the proposed methodology to determine its predictive capabilities.