Acquisition d’une base de données expérimentales pour comparaison avec les résultats numériques

Acquisition d’une base de données expérimentales pour comparaison avec les résultats numériques

Les travaux présentés dans les chapitres précédents ont permis de mettre en place un outil permettant d’estimer les dommages d’impact de manière simplifiée. Pour évaluer les capacités de cet outil à prévoir ces dommages, il est nécessaire de disposer de données expérimentales pour le matériau retenu, le T700GC/M21, constitué de fibres de carbone et d’une matrice époxy de troisième génération, qui comporte notamment des nodules thermoplastiques. Ces données expérimentales, obtenues sur les deux dispositifs expérimentaux développés dans ce projet et décrits au chapitre 3, pourront alors être confrontées aux résultats obtenus par la méthode des éléments finis. Pour cela, des essais d’impact sont réalisés sur des plaques composites stratifiées, avec différents empilements. Pour les faibles énergies d’impact, des études précédentes [Kaczmarek, 1994] [Sutherland, 2012] ont montré une similitude entre les endommagements obtenus par impact basse vitesse et ceux obtenus par indentation. D’autre part, on souhaite élargir la gamme de chargement vers le quasi-statique, pour lequel le modèle d’endommagement du composite stratifié a été développé et validé. C’est pourquoi des essais d’indentation sont réalisés dans des conditions les plus proches possible des essais d’impact. Ce type d’essai permet, en outre, d’avoir une instrumentation plus riche, notamment le suivi de l’endommagement par émission acoustique. L’ensemble de cette base de données riche est ensuite analysé.

Choix des empilements et fabrication des éprouvettes

L’étude bibliographique sur les paramètres d’impact a mis en évidence une influence de la séquence d’empilement sur les dommages d’impact obtenus [Liu, 1988] [Lopes, 2009a] [González, 2011]. C’est pourquoi il a été décidé de choisir trois empilements différents, à tester en impact et en indentation. Le premier empilement retenu est un empilement quasi- isotrope (QI) standard de séquence [(45°/90°/-45°/0°)2]s. Cet empilement respecte les règles classiques de stratification. Il est suffisamment fin pour avoir un modèle numérique de taille raisonnable et suffisamment épais pour être représentatif des pièces composites utilisées en aéronautique. Le second empilement dérive de l’empilement quasi-isotrope standard. Il a été choisi afin d’avoir plus d’interfaces potentiellement délaminantes, où la variation possible de l’empilement précédent. Ces interfaces sont aussi éloignées les unes des autres que possible, afin d’éviter d’éventuels problèmes numériques liés à la proximité d’interfaces  mm d’épaisseur chacun, soit un stratifié d’environ 4,16 mm d’épaisseur au final. Les modules de ces empilements, estimés par la théorie classique des stratifiés, sont reportés dans le tableau 4.1. Les empilements possédant tous une symétrie miroir, il n’y a pas de couplage du comportement en membrane et du comportement en flexion (B = 0).

La masse totale de l’impacteur a été de 6,36 kg pour tous les essais. La description d’essai d’impact et les mesures effectuées sont détaillées au chapitre 2. Quel que soit le montage, les éprouvettes sont placées de la même manière. Pour le montage d’appui simple linéique, cela signifie que la direction à 0° est parallèle aux directions des rouleaux du montage. Les autres orientations sont définies selon le sens horaire (Figure 4.1). A l’issue de chaque essai, la profondeur et la taille de l’empreinte résiduelle du spécimen impacté sont mesurées par corrélation d’images. Les spécimens sont ensuite scannés par ultrasons pour avoir une approximation de l’endommagement créé. Afin de réduire le temps de scan, seule la zone proche du centre de la plaque, où se situent la majorité des dommages, est expertisée. A l’issue du scan, le signal ultrasonore est traité pour en déduire quatre types d’information : Certaines éprouvettes, majoritairement celles dont l’énergie maximale transmise à la plaque est proche de 20 J, sont ensuite découpées. Les chants internes de ces éprouvettes sont polis pour réaliser des observations plus fines des dommages par microscopie optique. Ces micrographies permettent notamment d’observer les fissures matricielles obtenues, difficilement détectables par scan ultrasonore. Une synthèse des mesures réalisées après un essai d’impact ou d’indentation est disponible sur la figure 4.2.

Les D-scans sont utilisées pour estimer les aires projetées des dommages par traitement d’images, à l’aide des logiciels Gimp et IrfanView. L’aire projetée du dommage correspond à l’aire endommagée directement visualisée sur le D-scan. En effet, l’essentiel du signal ultrasonore étant réfléchi au niveau d’un dommage, il n’est souvent plus assez énergétique pour permettre une détection correcte du dommage suivant, donc de l’ensemble des dommages dans l’épaisseur. Dans la littérature, certains auteurs [Bouvet, 2009] [Hautier, 2010] réalisent également un scan ultrasonore de la face non-impactée. Cependant, dans les cas étudiés ici, le délaminage le plus profond est trop étendu et masque les autres  entre le plan médian du spécimen et la surface du capteur ultrasonore. Cela peut engendrer des étendues non négligeables de pixels légèrement au-dessus de la valeur de la profondeur de la plaque, qui doivent être sélectionnés et éliminés manuellement, au même titre que les pixels précédents. Sur les D-scans présentés dans ce mémoire, les zones considérées pour le calcul  de l’aire projetée des dommages sont entourées d’un trait blanc. Une fois la zone endommagée isolée, l’image est transformée en niveaux de gris. Le logiciel IrfanView permet alors d’évaluer le nombre de pixels blancs de l’image résiduelle, via la fonction Histogram. Le nombre obtenu, soustrait au nombre total de pixels du scan, permet de remonter au nombre de pixels endommagés, et donc à l’aire endommagée projetée.