Soutenance mémoire
Modélisation numérique
Matériaux composites
L’appellation « matériau composite » désigne tout agencement de deux matériaux différents (ou plus) dont la structure combinée est à l’échelle macroscopique. La combinaison d’un renfort et d’une matrice permet d’obtenir un matériau dont les propriétés surpassent celles des constituants seuls. Les composites utilisés de façon industrielle sont généralement produits sous forme d’empilement de couches de fibres (le renfort) reliées entre elles par une résine polymérique (la matrice), formant ainsi un stratifié. Dans cet agencement, le rôle du renfort est d’assurer la rigidité de la structure et de supporter les chargements en traction. La matrice, quant à elle, supporte les chargements en compression et en cisaillement, tout en maintenant le positionnement géométrique des fibres. Les fibres de verre, de carbone, d’aramide (Kevlar) et de bore comptent parmi les types de renforts les plus utilisés. Quant aux matrices polymériques, les résines époxydes, polyesters, vinylesters et polyétheréthercétone (PEEK), pour n’en nommer que quelques-unes, sont couramment utilisées. Il est également possible de choisir une matrice céramique ou métallique pour la fabrication d’un composite lorsque les températures d’utilisation sont particulièrement élevées.
Amélioration des propriétés interlaminaires des matériaux composites
Il existe trois approches dans l’étude des méthodes permettant de retarder l’apparition ou la propagation du délaminage (Dransfield, Baillie et Mai, 1994; Greenhalgh et Hiley, 2003) : 1- l’amélioration des techniques de conception, de fabrication et de coupe; 2- l’amélioration des propriétés des constituants du composite; 3- l’ajout de renforts dans le stratifié.
La première approche est évidemment intéressante d’un point de vue industriel, puisqu’elle ne nécessite pas le développement et la certification de nouveaux matériaux. Un bon exemple de cette méthode est la conception des raidisseurs sur une structure composite. La deuxième approche cible les constituants du composite : amélioration des propriétés de la résine (toughened resins) et de l’adhérence fibre/matrice, ajout de couches adhésives aux interfaces du stratifié, développement de résines auto-réparantes (self-healing). Le coût élevé de ces nouvelles technologies freine leur utilisation dans les applications industrielles, et il est parfois difficile de reporter une amélioration de la résine elle-même sur le comportement de la structure composite (Partridge, 2008). La troisième approche consiste plutôt à renforcer la structure composite dans la direction de l’épaisseur, de façon à contrebalancer la faiblesse naturelle des stratifiés dans cette direction.
Pour ce faire, plusieurs techniques ont été développées, telles que le tissage et le tressage 3-D, l’insertion de tiges en Z (Z pinning) et la couture (stitching).
Tissage et tressage 3-D
Les techniques de tissage et de tressage 3-D permettent de fabriquer des pièces de différentes formes à l’aide d’une machine à tisser ou à tresser, lesquelles sont ensuite infusées avec la résine. Le composite qui en résulte possède une structure tridimensionnelle présentant une meilleure résistance à l’impact et à la propagation du délaminage qu’un stratifié équivalent . La différence entre le tissage et le tressage 3-D tient dans l’orientation des différents fils composant la structure.Mis à part les avantages en terme de résistance mécanique, les techniques de tissage et de tressage présentent les intérêts suivants:
Permettent d’obtenir des pièces de forme complexe et près de la forme désirée (near net shape);
Éliminent les étapes de découpe et d’empilement nécessaires pour la fabrication de stratifiés;
Permettent une vaste possibilité de structures différentes en variant les types et grosseurs de fils, ainsi que les espacements entre les fils;
Offrent un processus de fabrication entièrement automatisé.
Insertion de tiges de renfort (Z-pinning)
La technique de renfort des stratifiés à l’aide de petites tiges consiste à insérer des tiges à travers l’épaisseur des couches de fibres, avant ou pendant l’infusion de résine (Baker, Dutton et Kelly, 2004). Les tiges, généralement faites de titane, de carbone/époxy ou de verre/époxy, sont d’abord maintenues perpendiculairement aux fibres dans une couche de support en polymère, avant d’être insérées dans le composite par la pression d’un autoclave, ou à l’aide d’un appareil à ultrasons. La Cette technique de renfort permet d’améliorer grandement la ténacité au délaminage des stratifiés, surtout pour les chargements en mode I, dû à l’effet de pont qui est créé entre les couches du stratifié (Rugg, Cox et Massabò, 2002). Les tiges en Z permettent également de transformer une propagation instable du délaminage en propagation stable, ce qui constitue une qualité appréciable du point de vue de la philosophie de tolérance au dommage. Il a été également démontré que lors d’un essai d’impact à basse vitesse, la présence de tiges en Z dans les stratifiés permet de réduire la surface délaminée ainsi que la résistance en compression après impact .
Impacts à basse vitesse sur les matériaux composites et propriétés résiduelles après impact
Les dégâts causés sur une structure composite par un impact à faible vitesse consistent principalement en un amalgame de délaminage et de rupture de la matrice. Dans une moindre mesure, des bris de fibres peuvent parfois survenir. Ces fissures de résine se propagent à travers l’épaisseur jusqu’aux interfaces, initiant ensuite un délaminage. Enfin, on peut remarquer une zone où la fibre est endommagée près du point d’impact. Si l’on observe la surface impactée, on constate que le point d’impact n’est que peu déformé ou endommagé. Cela illustre la nécessité de procéder à l’inspection minutieuse des structures pour s’assurer de leur intégrité. Il est généralement admis que les impacts à faible vitesse peuvent causer une diminution de la rigidité et de la résistance de la structure. Dans l’optique de la tolérance au dommage, il devient important d’étudier les performances des composites après impact. La plupart des travaux sur ce sujet concernent les propriétés en compression longitudinale d’une plaque ayant subi un impact à faible vitesse.
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Table des matières
INTRODUCTION
Problématique
Objectifs des travaux de recherche
Méthodologie et organisation de la thèse
Contributions scientifiques
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Matériaux composites
1.1.1 Généralités
1.1.2 Amélioration des propriétés interlaminaires des matériaux composites
1.1.2.1 Tissage et tressage 3-D
1.1.2.2 Insertion de tiges de renfort (Z-pinning)
1.1.2.3 Couture
1.1.3 Impacts à basse vitesse sur les matériaux composites et propriétés résiduelles après impact
1.2 Modélisation numérique
1.2.1 Modélisation du délaminage dans les matériaux composites
1.2.2 Modèle d’endommagement progressif
1.2.3 Dégradation des propriétés mécaniques
1.2.4 Modélisation de la couture dans les stratifiés
1.3 Alliages à mémoire de forme
1.3.1 Transformations martensitiques thermoélastiques
1.3.2 Mécanismes de transformation et de déformation
1.3.3 Propriétés fonctionnelles de l’alliage Ti-Ni
1.3.3.1 Effet mémoire de forme simple sens
1.3.3.2 Génération de contrainte
1.3.3.3 Superélasticité
CHAPITRE 2 ARTICLE #1 : MODELING OF DELAMINATION INITIATION AND PROPAGATION IN COMPOSITE LAMINATES UNDER MONOTONIC TENSILE LOADING USING THE PROGRESSIVE DAMAGE MODELING TECHNIQUE
2.1 Résumé (français)
2.2 Abstract
2.3 Introduction
2.4 Literature Review
2.5 Problem Statement
2.6 Development of the Model
2.6.1 Stress Analysis
2.6.2 Static Failure Analysis and Degradation of Mechanical Properties
2.7 Validation of the Model
2.7.1 Validation of the Model: Stress Analysis
2.7.1.1 Choice of Element Type
2.7.1.2 Numerical Study on the Use of Symmetry
2.7.2 Validation of the model: Failure analysis and degradation of mechanical properties
2.8 Conclusions
2.9 References
CHAPITRE 3 ARTICLE DE CONFÉRENCE : SUPPRESSION OF DELAMINATION PROPAGATION IN CARBON/EPOXY LAMINATES BY THE USE OF SUPERELASTIC STITCHING WIRES: PRELIMINARY RESULTS
3.1 Résumé (français)
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Experimentations
3.4.1 Equipments
3.4.2 Specimen Preparation
3.4.3 Impact Testing
3.4.4 Compression After Impact (CAI) Testing
3.5 Results and Discussion
3.5.1 Impact Testing
3.5.2 CAI Testing
3.6 Conclusions
3.7 Acknowledgements
3.8 References
CHAPITRE 4 ARTICLE #2 : PREDICTION OF THE PROPAGATION OF IMPACT-INDUCED DELAMINATION IN CARBON/EPOXY LAMINATES
4.1 Résumé (français)
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Experimentations
4.4.1 Specimen Preparation
4.4.2 Low-Velocity Impact Testing
4.4.3 Ultrasonic Imaging
4.4.4 Bending after Impact Testing
4.5 Finite Element Model
4.6 Results and Discussion
4.6.1 Bending after Impact Testing
4.6.2 Finite Element Modeling
4.7 Conclusions
4.8 Acknowledgements
4.9 References
CHAPITRE 5 ARTICLE #3 : IMPACT-INDUCED DAMAGE AND DAMAGE PROPAGATION UNDER FLEXURAL LOAD IN TINI AND KEVLAR-STITCHED CARBON/EPOXY LAMINATES
5.1 Résumé (français)
5.2 Abstract
5.3 Introduction
5.4 Experimentations
5.4.1 Specimen Preparation
5.4.2 Low Velocity Impact Testing
5.4.3 Ultrasonic Imaging
5.4.4 Bending after Impact Testing
5.5 Finite Element Model
5.6 Results and Discussion
5.6.1 Impact and Bending After Impact Tests
5.6.2 Finite Element Modeling
5.7 Conclusions
5.8 Acknowledgements
5.9 Reference
CONCLUSION GÉNÉRALE
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