Comportement mécanique de Matériaux Sandwichs Innovants pour application nautique

Mechanical behavior of innovative sandwich materials for nautical applications

• Auteur / Autrice : Joulia Salloum
• Direction : Patrick Ienny, Loïc Daridon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier) - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil / LMGC
• Jury : Président / Présidente : Bruno Castanié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Ienny, Loïc Daridon, Yann Marco, Frédéric Jacquemin, Nadia Bahlouli, Romain Léger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Marco, Frédéric Jacquemin

Mots clés

Mots clés libres

Comportement mécanique

Eco-Matériaux

Matériaux composites sandwichs

Critère de rupture

Essai de flexion non standardisé

Modélisation par éléments finis

Mechanical behaviour

Eco-Materials

Sandwich composites

Failure criteria

Non-Standard bending test

Finite element modelling

Résumé

Ce travail consiste en une étude expérimentale et numérique du comportement mécanique endommageable de matériaux composites sandwichs utilisés pour l’industrie nautique. A des fins d’éco-conception, les parements stratifiés exploitent des non tissés triaxiaux à base de basalte associés à une résine partiellement biosourcée (greenpoxy) et les mousses d’âme sont produites en PET recyclé. Au-delà de la préparation de ces matériaux par infusion sous vide et de leur caractérisation microstructurale et mécanique, le développement d’un modèle robuste capable de prévoir la réponse de ces matériaux sandwichs sous sollicitation statique en constitue l’objectif principal. Qu’il s’agisse de compression de la mousse seule, de traction simple du monolithique selon différentes directions ou de flexion sur le composite sandwich, l’ensemble des essais mécaniques est instrumenté par de la corrélation d’images sur plusieurs faces de l’échantillon pour suivre l’évolution des endommagements en temps réel. L’étude par éléments finis 3D de la réponse mécanique des constituants seuls (mousse et monolithique) et du sandwich est réalisée sur la base de simulations sous Abaqus® dans le but de juger de l’applicabilité des critères de rupture et des méthodes d’évolution des dommages. Pour la mousse, le modèle « crushable foam » a été utilisé afin de prédire l’effondrement au sein de la mousse dans la structure sandwiche. Pour le monolithique, un modèle d'endommagement progressif des constituants fibre/matrice est adopté au sein de chaque pli et des éléments cohésifs entre plis adjacents permettent de rendre compte de la délamination à une échelle mésoscopique. Cette méthodologie a pour but de prédire l'initiation et l'accumulation des dommages dans le stratifié. La méthodologie proposée est générique et constitue une base évolutive permettant notamment d’introduire la notion de cohésion entre fibre et matrice dont on souhaiterait juger de l’efficacité.

This work consists of an experimental and numerical study of the mechanical behaviour of sandwich composite materials used in the nautical industry, up to damage occurrence and its evolution. For eco-design purposes, the facings are made of NCF triaxial basalt fibre laminates and a partially bio-sourced resin (greenpoxy), and the core consists of recycled PET foam. In addition to preparing these materials via vacuum infusion and conducting their microstructural and mechanical characterisation, the main goal of this study is to develop a robust model capable of predicting the response of these sandwich materials under static loading. It is worth noting that all conducted mechanical tests, including compression of the foam alone, simple traction of the monolithic in different directions, or bending of the sandwich composite, are instrumented by image correlation on multiple sides of the specimen to monitor the real-time damage evolution. Furthermore, a 3D finite element study of the mechanical response of the single components (foam and monolithic) and the sandwich is carried out based on Abaqus® simulations to assess the applicability of failure criteria and damage evolution methods. For instance, regarding the foam, the "crushable foam" model was used to predict its collapse within the sandwich structure. As for the monolithic, a progressive damage model of the fibre/matrix constituents is adopted within each ply, and cohesive elements between adjacent plies are used to account for delamination on a mesoscopic scale. This methodology aims to predict the initiation and accumulation of damage in the laminate. The proposed methodology is generic and provides an evolving basis for introducing the concept of cohesion between fibre and matrix, the effectiveness of which is intended for evaluation.