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 : Frederic Laurin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universitat de Girona
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA - MAS - Matériaux et Structures
• Partenaire(s) de recherche : référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• 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 Dàvila, Pere Maimi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Andrea Carraro, Christophe Bois

Mots clés

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. En particulier, ce développement de modèle s'est inscrit dans une volonté d'accompagner les acteurs des secteurs industriels vers des démarches de conception plus durables, en proposant des outils à la fois simples et efficaces. Lors de la campagne expérimentale menée, des essais de traction quasi-statique mais aussi de fatigue à différents rapports de charge ont été réalisés sur une grande diversité de séquences d'empilements, tels que des stratifiés croisés, des [0/±45]_s, des quasi-isotropes, mais également des quasi-double doubles. En particulier, des essais de fatigue complexes à amplitude non-constante ont été réalisés, allant jusqu'à l'application de sollicitations spectrales. Tous ces essais ont été multi-instrumentés à l'aide des techniques d'Emission Acoustique, de Corrélation d'Images Numérique et d'un suivi par microscopie optique permettant de suivre l'évolution de la densité de fissures au cours de l'essai. Les fissures ont ensuite été automatiquement détectées sur les micrographies grâce à un outil développé à l'ONERA et exploitant le module de vision par ordinateur DeepFlow. Des essais supplémentaires de Contrôle Non-Destructif par radiographie à rayons X et par tomographie ont été menés afin d'étudier l'état d'endommagement interne des éprouvettes testées. Au terme des 70 essais réalisés et 100 000 fissures détectées, cette campagne expérimentale a permis de mettre en avant des phénomènes tels que les effets de bord libre et les effets de séquence d'empilement, mais également de fournir une base de données du comportement de plis orientés en termes de seuil et cinétique d'évolution de l'endommagement. Cette compréhension du comportement et des mécanismes influant sur la fissuration des stratifiés a mené au développement un modèle d'endommagement avec un formalisme incrémental, permettant la description de chargements complexes proches de ceux rencontrés dans l'industrie, basé sur une variable observable : la densité de fissures. Celle-ci est également adaptée à la prévision d'endommagement pour des stratifiés présentant peu d'effets de l'endommagement sur le comportement macroscopique avant rupture, comme cela est couramment le cas de ceux utilisés dans l'aéronautique. La loi d'évolution de l'endommagement ainsi développée présente la particularité de proposer un formalisme unifié entre la fissuration matricielle en statique et en fatigue. Afin d'en identifier les paramètres, un protocole d'identification répétable et robuste a été proposé à la fois en statique et en fatigue. Celui-ci se base notamment sur la notion de courbe maîtresse, permettant d'obtenir des paramètres optimums grâce à un faible nombre d'essais dédiés à la calibration. Les capacités prédictives du modèle ont ensuite été évaluées par confrontation avec les évolutions de fissures obtenues expérimentalement lors des essais de validation. Dans une première approche, une prévision d'endommagement très satisfaisante a pu être réalisée en statique et en fatigue sur les stratifications croisées, peu sensibles aux effets de bord et de séquence. Dans un second temps, les prévisions du modèle se sont également révélées prometteuses dans les autres plis hors-axes au sein de séquences d'empilement plus complexes. Cependant, un important effet de séquence d'empilement sur le seuil d'endommagement a pu être noté, en particulier dans les plis à 45° des stratifications quasi-isotropes. Si les modélisations locales actuelles ne permettent pas de prendre ce phénomène en compte, des règles de drapage supplémentaires en ont été tirées afin de compléter celles en vigueur actuellement.

This Ph.D. thesis, conducted at ONERA with Paris-Saclay University and in collaboration with the University of Girona, consisted in 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. In particular, this model development aimed at accompanying players in the industrial sector towards more sustainable design approaches by proposing simple and efficient modeling tools. During the experimental campaign, quasi-static tensile tests but also fatigue tests at different stress ratios were performed on a wide variety of stacking sequences, such as cross-ply, [0/±45]_s, quasi-isotropic, and even quasi-double double laminates. In particular, complex fatigue tests with a variable amplitude were conducted, going as far as applying spectral loadings. All these tests were multi-instrumented using Acoustic Emission, Digital Images Correlation, and optic microscopy in order to monitor the crack density evolution during the test. The cracks were then automatically detected on the micrographs thanks to a tool developed at ONERA and exploiting the computer vision modulus DeepFlow. Some additional Non-Destructive Testing imagery methods, such as X-ray radiographies and CT scans, were deployed to study the internal damage state of the damaged specimens. After 70 tests realized and 100,000 cracks detected, this experimental campaign enabled us to highlight phenomena such as the free edge effect and the stacking sequence effect, but also to provide a database of oriented plies' behavior in terms of onset and kinetic evolution of damage. This understanding of the behavior and mechanisms influencing the cracking of laminates led to the development of a damage model with an incremental formalism, allowing a description of complex loadings, close to those encountered in the industry, and based on an observable variable: the crack density. This variable is also suitable for damage prediction in laminates with little damage effect on their macroscopic behavior before final failure, which is usually the case for those used in the aeronautic industry. The damage evolution law thus developed presents the particularity of proposing a unified formalism between static and fatigue matrix cracking. In order to identify its parameters, a repeatable and robust identification protocol based on the master curve notion was proposed to obtain optimum parameters with only a few tests dedicated to calibration. The model's predictive abilities were then compared with the crack density evolutions experimentally observed during the validation tests. In a first approach, very satisfying damage predictions were realized in static and fatigue for cross-ply laminates, which exhibit a minor sensitivity to free edge and stacking sequence effects. In a second phase, promising predictions were also obtained in the other off-axis plies of more complex layups. However, an important stacking sequence effect on damage onset was noted for these laminates, particularly in the 45° plies of quasi-isotropic layups. If the current local modeling approaches do not allow a complete accounting of this phenomenon, additional layup rules were drawn from these observations to complete the ones currently in vigor.