Analyse Expérimentale et Numérique de la Fracture Interlaminaire de Mode III dans les Laminés Composites en utilisant un Test de Edge Crack Torsion modifié

Experimental and Numerical Analysis of Mode III Interlaminar Fracture in Composites Laminates using a modified Edge Crack Torsion Test

• Auteur / Autrice : Mohammadreza Mohaseb karimlou
• Direction : Marco Montemurro, Daniele Fanteria, Paolo Sebastiano Valvo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 24/07/2025
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM en cotutelle avec Université de Florence
• 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 : IMC : Ingénierie Mécanique et Conception
• Jury : Président / Présidente : Paolo Sebastiano Valvo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Montemurro, Marco Gigliotti, Anita Catapano, Daniele Fanteria
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Paggi, Anna Castellano

Mots clés

Mots clés libres

Composites

Edge Crack Torsion

Ténacité a la fracture

Délamination

Méthode des éléments finis

Quasi-Trivial

Composites

Edge Crack Torsion

Fracture toughness

Delamination

Finite element method

Quasi-Trivial

Résumé

Cette recherche vise à contribuer à la normalisation des essais de ténacité à la rupture interlaminaire pour les stratifiés composites avancés dans des conditions de mode III. À cette fin, un essai modifié de Edge Crack Torsion (ECT) a été conçu et évalué par le biais de simulations numériques, en utilisant la Finite Element Method (FEM) dans le logiciel Abaqus. L'étude se concentre sur l'évaluation de la résistance de l'éprouvette aux charges appliquées et la quantification du l'Energy Release Rate (ERR) dans ce mode de fracture particulier. Pour ce faire, la Virtual Crack Closure Technique (VCCT) a été mise en œuvre dans toutes les simulations numériques afin de calculer l'ERR au début de la propagation de la fissure le long des surfaces interlaminaires. Pour valider la modélisation adoptée dans différents essais, des simulations supplémentaires ont été réalisées pour le mode I (Double Cantilever Beam, DCB), le mode II (End Notch Flexure, ENF) et le mode mixte en flexion (Mixed Mode Bending, MMB, mode I et mode II dominants). Les résultats numériques obtenus ont ensuite été comparés aux données expérimentales disponibles issues d'études antérieures. Dans les simulations du mode III, des éprouvettes avec différentes longueurs initiales de fissure le long de leur interface ont été modélisées. Bien que l'essai ECT soit couramment utilisé pour déterminer l'ERR en mode III, aucune procédure standardisée n'existe actuellement. Afin de contribuer à la standardisation du mode III, de nouvelles caractérisations ont été mises en œuvre. Pour optimiser l’utilisation des matériaux dans les échantillons de laboratoire et obtenir un ERR en mode III plus pur, une réduction de la largeur a été mise en œuvre dans les modèles finaux de simulation. De plus, une séquence d'empilement Quasi-Trivial (QT) a été appliquée indépendamment aux éprouvettes ECT afin d’observer son effet sur le comportement en fracture. D’un point de vue expérimental, un dispositif ECT révisé a été conçu en s’appuyant sur des études antérieures à l’aide d’un logiciel CAD/CAM (CATIA). Par ailleurs, ce dispositif a été modifié afin de faciliter l’application de la méthode d’étalonnage par compliance, en utilisant différentes largeurs d’éprouvettes. Dans l’ensemble, les résultats numériques indiquent que les éprouvettes avec des longueurs initiales de fissure plus courtes présentent un ERR en mode III plus pur que celles avec des fissures initiales plus longues. Cependant, les éprouvettes avec des fissures initiales plus longues montrent une distribution plus uniforme de l'ERR en mode III le long du front de fissure, ce qui peut être avantageux pour la réduction des données. Enfin, les résultats obtenus avec les séquences d’empilement QT démontrent que les essais ECT peuvent être réalisés pour évaluer la ténacité à la fracture interlaminaire des interfaces avec différents angles d'orientation, sans introduire d’effets parasites dus aux couplages élastiques indésirables.

This research aims to contribute to the standardization of interlaminar fracture toughness tests for advanced composite laminates under mode III conditions. To this end, a modified Edge Crack Torsion (ECT) has been designed and evaluated through numerical simulations, using the Finite Element Method (FEM) in Abaqus software. The study focuses on assessing the resistance of the specimen to applied loads and quantifying the Energy Release Rate (ERR) in this particular fracture mode. To achieve this, the Virtual Crack Closure Technique (VCCT) was implemented in all numerical simulations to calculate the ERR at the onset of crack propagation along the interlaminar surfaces. To validate the adopted modeling in different tests, additional simulations were conducted for mode I (Double Cantilever Beam, DCB), mode II (End Notch Flexure, ENF), and Mixed Mode Bending (MMB, mode I and mode II dominant cases). The obtained numerical results were then compared with available experimental data from previous studies. In the mode III simulations, specimens with various initial crack lengths along their interface were modelled. While the ECT test is commonly used to determine the ERR in mode III fractures, no standardized procedure currently exists. In order to contribute to the mode III standardization, new characterizations are employed. To optimize material usage in laboratory samples and achieve a purer mode III ERR, width reduction was implemented in the final simulation models. Additionally, a Quasi-Trivial (QT) stacking sequence was independently applied to the ECT specimens to observe its effect on fracture behaviour. From an experimental perspective, a revised ECT fixture was designed based on previous studies using CAD/CAM software (CATIA). In addition, this fixture was modified in order to facilitate the application of the compliance calibration method using various specimens' widths. Overall, the numerical results indicate that specimens with shorter initial crack lengths exhibit a purer mode III ERR compared to those with longer initial cracks. However, specimens with longer initial cracks demonstrate a more uniform mode III ERR distribution along the crack front, which may be advantageous for data reduction. Lastly, the results obtained with QT stacking sequences show that ECT tests can be performed to assess the interlaminar fracture toughness of interfaces with different orientation angles without introducing spurious effects due to unwanted elastic couplings.