Tolérance aux dommages de structures composites

Damage tolerance of composite structures

• Auteur / Autrice : Cédric Mignot
• Direction : Philippe Viot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 09/01/2023
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DuMAS : Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux composites

Contrôle non destructif

Méthode des éléments finis

Endommagement

Impact

Méthodes inverses

Composite materials

Non-destructive tests

Inverse methods

Damage

Impact

Résumé

L'utilisation de matériaux composites implique la mise en place d'une stratégie de tolérance aux dommages et de maintenance différente de celle aujourd'hui utilisée pour les coffres métalliques. Lors du cycle de vie de la batterie, la structure composite du coffre subit un ensemble de sollicitations thermomécaniques sévères. En fonctionnement, installée dans l'avion, la batterie peut subir des vibrations, des fortes accélérations dues aux turbulences et ceci sur une large gamme de température. Pendant sa phase de maintenance, la batterie peut être soumise à des impacts d'outils ou simplement chuter. Ces incidents peuvent alors endommager localement la structure sans pour autant que cette détérioration ne soit visible à l'oeil nu. Il faut donc, dans l'étape de conception et de dimensionnement de cette structure composite, apprécier la criticité d'un tel dommage. Les risques d'impact, qu'ils soient des chocs d'outils ou la chute de la batterie de sa hauteur d'installation dans l'avion, doivent être caractérisés en termes d'énergie d'impact, de vitesse d'impact, de la forme de l'impacteur de fréquence...Il s'agit en fait d'identifier l'ensemble des paramètres qui vont avoir une influence sur la nature de l'endommagement du composite et son étendue dans la structure. Cette première analyse doit permettre d'établir une cartographie des endommagements (typologie et étendue) en fonction des impacts initiés sur la structure composite. Une étape essentielle est donc la caractérisation des endommagements que cela soit des ruptures de fibres, du délaminage entre plis ou de la fissuration de la matrice. Plusieurs méthodes d'observation et de caractérisation des endommagements peuvent être envisagées et beaucoup nécessitent la découpe de l'échantillon composite pour explorer la santé matière post impact. Il est alors nécessaire de réaliser plusieurs séries d'impact pour caractériser ces endommagements et établir la tenue résiduelle de la structure composite impactée soumise à une sollicitation mécanique dans des conditions nominales (vibrations, accélérations dues à des turbulences) ou extrêmes (pression de confinement, température élevée...). Les campagnes d'essais nécessaires à l'estimation de cette criticité sont donc souvent très onéreuses. L'emploi de coupons (portion représentative de la structure composite du carter) constitue alors une alternative à cette problématique. Cela implique de considérer les conditions aux limites et de chargement de ce coupon pendant les différentes phases d'essais (pendant l'impact et pendant les essais de tenue résiduelle) pour reproduire le chargement local sur la structure composite dans son entièreté. Il faut aussi limiter le nombre d'essais au juste nécessaire pour établir les surfaces de réponse (multifactorielles) de tenue résiduelle en fonction des endommagements, et donc des impacts initiés. Ainsi, l'utilisation de méthodes de CND (Contrôle Non Destructif) sera également mise en œuvre, notamment via le développement et application de méthodes inverses. L'objectif est de pouvoir, à partir des essais non destructifs sur l'échantillon impacté (par exemple via des ondes acoustiques), utiliser les mesures obtenues pour remonter aux propriétés de l'impact (type, géométrie, taille, localisation, etc.). Ces résultats, couplés aux campagnes d'essais mécaniques, ont pour objectif de remonter à l'endommagement et caractériser sa criticité. L'apport de ces méthodes de CND doit permettre une réduction significative du nombre d'essais à réaliser. L'objectif de ce travail de recherche, est donc d'établir une méthodologie permettant au concepteur industriel du carter composite de s'affranchir d'une lourde étude expérimentale sur carters composites. Ainsi, à partir d'une campagne d'essais effectuée sur des structures coupons de taille réduite, de méthodes inverses de caractérisation et des simulations numériques du comportement de la structure composite endommagée, il doit être possible de prédire la tenue résiduelle en chargement nominal et extrême d'une structure composite réelle lorsque celle-ci a subi un dommage par impact. La méthodologie préconisée est la suivante : En premier lieu, une campagne de tolérance aux dommages - création des dommages par impacts, expertises ultrasonore et microscopique des dommages et essais de traction quasi-statiques jusqu'à rupture - sera effectuée sur plusieurs éprouvettes en s'appuyant notamment sur les plans d'expériences. Par méthode inverse, il sera possible de cartographier les endommagements qui pourraient être générés par d'autres types d'impacts ou incidents et de prendre en compte les paramètres géométriques de la structure composite (épaisseur, nombre de plis, orientation...). Des simulations numériques du carter composite impacté seront envisagées, prenant en compte un modèle d'endommagement progressif local de la structure composite. Ce modèle numérique permettra au concepteur d'optimiser la structure composite du carter afin de minimiser la criticité d'impacts potentiels.

The use of composite materials requires the set-up of a different maintenance and a different damage tolerance strategy that it is used usually used for metallic chest. During the life cycle of the battery, the composite structure of the box is subjected to a series of severe thermomechanical stresses. During operation, installed in the plane, the battery can be subjected to vibrations, strong accelerations due to turbulence and this over a wide temperature range. During its maintenance phase, the battery may be subjected to tool impacts or simply fall. These incidents can cause local damage to the structure without this deterioration being visible to the human eye. In the design and dimensioning stage of this composite structure, it is necessary to appreciate the criticality of such damage. The impact risks, whether they are tool shocks or the fall of the battery from its installation height in the aircraft, must be characterized in terms of impact energy, impact speed, and shape of the frequency impactor... In fact, it is a question of identifying all the parameters that will have an influence on the nature of the damage to the composite and its extent in the structure. This first analysis should allow us to establish a damage map (typology and extent) according to the impacts initiated on the composite structure. An essential step is the characterization of the damage, whether it is fiber breakage, delamination between plies or matrix cracking. Several methods of observation and characterization of the damage can be considered and many require the cutting of the composite sample to explore the material health post impact. It is then necessary to perform several series of impact tests to (1) characterize these damages and (2) establish the residual strength of the impacted composite structure subjected to a mechanical stress under nominal (vibrations, accelerations due to turbulences) or extreme (confinement pressure, high temperature...) conditions. The test campaigns required to estimate this criticality are therefore often very expensive. The use of coupons (representative portion of the composite structure of the casing) constitutes an alternative to this problem. This implies to consider the boundary and loading conditions of this coupon during the different test phases (during the impact and during the residual strength tests) in order to reproduce the local loading on the composite structure in its entirety. It is also necessary to limit the number of tests to the one necessary to establish the response surfaces (multifactorial) of the residual strength according to the damages, and thus the impacts initiated. Thus, the use of NDT (Non Destructive Testing) methods will also be implemented, in particular through the development and application of reverse methods. The objective is to be able to from the non-destructive tests on the impacted sample (for example via acoustic waves), use the measurements obtained to trace the properties of the impact (type, geometry, size, location, etc.). These results, coupled with the mechanical testing campaigns, are intended to damage and characterize its criticality. The contribution of these NDT methods should allow a significant reduction in the number of tests to be performed. The objective of this research work is therefore to establish a methodology allowing the industrial designer of the composite housing to free himself from a heavy experimental study on composite housings. Thus, from a campaign of tests carried out on structures coupons of reduced size, inverse methods of characterization and numerical simulations of the behaviour of the damaged composite structure, it should be possible to predict the residual strength in nominal and extreme loading of a real composite structure when it has suffered an impact damage. The recommended methodology is as follows: First, a damage tolerance campaign - creation of damage by impacts, ultrasonic and microscopic expertise of the damage and quasi-static tensile tests until failure - will be carried out on several specimens, relying in particular on the experimental designs. By inverse method, it will be possible to map the damages which could be generated by other types of impacts or incidents and to take into account the impacts or incidents and to take into account the geometrical parameters of the composite structure (thickness, number of folds, orientation...). Numerical simulations of the impacted composite casing will be considered, taking into account a progressive local damage model of the composite structure. This numerical model will allow the designer to optimize the composite structure of the casing in order to minimize the criticality of potential impacts.