Détermination des propriétés de fatigue des stratifiés composites multidirectionnels (MD) sur la base de mesures thermographiques

Determination of fatigue properties of Multidirectional composite laminates (MD) based on thermography measurements

• Auteur / Autrice : Zijiao Jia
• Direction : Xiao-Jing Gong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....) - Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Casari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Laetitia Pastor, Zoheir Aboura, Christian Garnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Casari, Alexis Beakou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif par thermographie infrarouge

Thermographie

Composites -- Fatigue

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Thermographie infrarouge

Limite de fatigue

Prédiction de la durée de vie

Multi-directionnel CFRP

Fatigue post-impact

Infrared Thermography

Fatigue Limit

Fatigue Life Prediction

Multidirectional CFRP

Post-impact Fatigue

Résumé

La fatigue des composites polymères renforcés par des fibres de carbone (CFRP) est un sujet important puisque ces matériaux sont de plus en plus utilisés pour la fabrication des éléments porteurs dans les industries aéronautique, automobile et maritime. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodologies permettant d'évaluer les propriétés de fatigue et de fatigue post-impact de MultiDirectionnel (MD) CFRP en un temps court sur la base de l'analyse des données thermographiques mesurées par la caméra infrarouge. Une nouvelle méthode de détermination de la limite de fatigue a d'abord été proposée pour surmonter les limites des méthodes graphiques traditionnelles (méthodes de Luong et de Risitano). L'amplitude de contrainte correspondant à la valeur maximale du changement d'angle normalisé par leur amplitude, est définie comme la limite de fatigue. La méthode proposée a été évaluée à partir des données expérimentales obtenues dans cette étude sur les stratifiés CFRP à plis croisés et Quasi-Isotropes (QI), ainsi que sur des données de divers matériaux de la littérature. Ensuite, compte tenu des mécanismes d'endommagement plus complexes dans les stratifiés MD, un modèle de prédiction de durée de vie en fatigue précédemment proposé, qui combine la dégradation de la rigidité avec des données thermographiques et qui a été appliqué avec succès aux stratifiés Unidirectionnels (UD) et ± 45 ° CFRP, est modifié. Un nouveau paramètre r est introduit dans l'expression de la rigidité résiduelle pour surmonter les prédictions conservatrices résultant du modèle original. De plus, l'élévation de température stabilisée est normalisée à sa valeur maximale à des fins de comparaison entre différents spécimens. Un protocole pour déterminer une courbe S-N plus fiable à partir des courbes S-N prédites individuelles de plusieurs spécimens a été proposé. Pour démontrer davantage la généralité des méthodologies proposées, la méthode de détermination de la limite de fatigue et le modèle de prédiction de la durée de vie mentionnés ci-dessus ont également été appliqués aux résultats obtenus lors d'essais en fatigue en compression-compression et en fatigue en compression après impact sur des stratifiés CFRP Quasi-Isotropes Quasi Homogènes (QIQH) avec trois séquences d'empilement différentes. Les résultats obtenus ont montré que la méthode de détermination de la limite de fatigue et le modèle de prédiction de la durée de vie proposés dans cette étude peuvent être utilisés pour déterminer rapidement la limite de fatigue et prédire les courbes S-N des matériaux composites MD CFRP avec plus de 87 % de précision. Les résultats de ce travail sont intéressants d'un point de vue industriel car avec l'utilisation des méthodologies proposées, la durée des essais de fatigue est considérablement réduite (gain de temps d'au moins 50 fois) et les propriétés de fatigue des composites peuvent être obtenues quels que soient la séquence d'empilement et le mode de chargement (tension ou compression).

Fatigue of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) composites is one of the topics that receives more and more attention since these materials are increasingly used for the manufacturing of loading-bearing components in the aeronautical, automotive and marine industries. The objective of this thesis is to develop methodologies that allow to evaluate the fatigue and post-impact fatigue properties of MultiDirectional (MD) CFRP in a short time based on the analysis of thermographic data measured by the infrared camera. A new fatigue limit determination method was first proposed to overcome the limitations of traditional graphic methods (Luong and Risitano's methods). So, the stress amplitude corresponding to the peak value of the angle change normalized by their amplitude, is defined as the fatigue limit. The proposed method was evaluated by the experimental data of cross-ply and Quasi-Isotropic (QI) CFRP laminates obtained in this study, as well as the data of various materials in the literature. Then, in view of more complex damage mechanisms in MD laminates, a previously proposed fatigue life prediction model, which combines the stiffness degradation with thermographic data and which has been successfully applied to Unidirectional (UD) and ±45° CFRP laminates, is modified. A new parameter r is introduced into the expression of residual stiffness to overcome the conservative predictions resulted from the original model. In addition, the stabilized temperature rise is normalized by the maximum value reached for the sake of comparison between different specimens. A protocol to determine a more reliable S-N curve from individual predicted S-N curves of several specimens was proposed. To further demonstrate the generality of proposed methodologies, the above-mentioned fatigue limit determination method and fatigue life prediction model were also applied to the compression-compression fatigue and post-impact compression fatigue on Quasi-Isotropic Quasi-Homogeneous (QIQH) CFRP laminates with three different stacking sequences. The results imply that the fatigue limit determination method and fatigue life prediction model proposed in this study can be used to rapidly determine the fatigue limit and predict the S-N curves of MD CFRP composite materials with more than 87% of precision. The results of this work are interesting for industrial application because with the use of proposed methodologies, the duration of fatigue test is considerably reduced (saving at least 50 times of time) and it makes possible to know the fatigue properties of composites irrespective of stacking sequence and mode of loading (tension or compression).