Mécanismes d’endommagement par fatigue des matériaux composites

Mécanismes d’endommagement par fatigue des matériaux composites

Pour étudier le comportement en fatigue des matériaux composites tissés, il est indispensable de comprendre leurs mécanismes d’endommagement et de tenir compte d’accumulation de l’endommagement résultant du processus de la fatigue. Néanmoins, les matériaux composites tissés ont une architecture plus complexe que celle des matériaux composites unidirectionnels. Il est donc important d’examiner l’endommagement des matériaux composites unidirectionnels sous chargement cyclique axial en traction avant celui des matériaux composites tissés.

Endommagement en fatigue des composites stratifiés UD

Plusieurs travaux ont été réalisés sur les matériaux composites stratifiés unidirectionnels pour déterminer les mécanismes d’endommagement en fatigue. Trois principaux modes d’endommagement se produisent dans les matériaux composites stratifiés unidirectionnels, soit la fissuration matricielle, le décollement fibre/matrice, et la rupture de fibres (K. L. Reifsnider, 1990).

Le processus de la fatigue des composites stratifiés unidirectionnels montre l’évolution de l’endommagement en fonction du pourcentage de la durée de vie d’un composite stratifié UD croisé soumis à un chargement cyclique. Ce processus est divisé en trois phases : (1) une phase où l’accumulation de l’endommagement est rapide (2) suivie d’une phase où l’accumulation de l’endommagement est régulière et lente (3) et enfin une phase où l’accumulation de l’endommagement s’accélère et conduit à la rupture.

Au début du processus de fatigue, des microfissures matricielles commencent à apparaître et se développent pour former des fissures matricielles le long des fibres qui sont orientées dans la direction hors axe du chargement en traction. Les fissures matricielles se forment ensuite dans les autres couches avec la continuité du chargement cyclique et leur densité augmente progressivement. Le processus de fissuration continue jusqu’à ce que la distance entre les fissures dans chaque pli atteigne un espacement ou une taille d’équilibre ou de saturation. Cet état d’endommagement est appelé l’état d’endommagement caractéristique (Characteristic Damage State CDS). À ce stade, la redistribution des contraintes limiterait l’initiation de nouvelles fissures.

Avec la suite du processus de fatigue, l’initiation de la délamination commence en raison des contraintes interlaminaires élevées causées par l’effet de bord libre aux bords du stratifié et par les fissures matricielles et la rupture de fibres à l’intérieur du stratifié. Avec la suite du chargement cyclique, la délamination se propage graduellement.

Pendant le chargement cyclique, la rupture prématurée des fibres peut avoir lieu en raison des déformations excessives ou des concentrations de contrainte causées par les fissures matricielles et des décollements interfaciaux. À la fin du processus de fatigue, tous les modes d’endommagement se développent rapidement jusqu’à la rupture du stratifié.

En conclusion, la fissuration matricielle est le mécanisme d’endommagement dominant au début de la durée de vie en fatigue des composites stratifiés UD, suivi par la délamination pendant la phase intermédiaire et l’accumulation de différents modes d’endommagement durant la phase finale de la durée de vie en fatigue.

Endommagement en fatigue des composites stratifiés tissés à armure simple

Les matériaux composites tissés se composent de trois éléments structurels, à savoir, des mèches longitudinales (chaînes), des mèches transversales (trames) et des régions de matrice pure. Les éléments structurels (chaînes et trames) peuvent être considérés comme des composites UD équivalents.

Les principaux mécanismes d’endommagement observés pendant le chargement en fatigue peuvent être classés en endommagements microscopiques dans les mèches et macroscopiques dans le composite tissé. Les mécanismes d’endommagement microscopiques sont similaires à ceux observés dans les composites stratifiés UD croisés (fissuration matricielle, décollement fibre/matrice, et rupture de fibres). Alors que les mécanismes d’endommagement macroscopiques sont (Naik, 2003) :
• La fissuration transversale dans la trame,
• La rupture en cisaillement dans la chaîne,
• La fissuration dans les régions à matrice pure,
• La délamination entre la trame et la chaîne (méta-délamination),
• La délamination entre plis adjacents,
• La rupture de la trame et enfin rupture totale du stratifié.

Table des matières

INTRODUCTION
0.1 Contexte et problématique de la thèse
0.2 Objectif de la thèse
0.3 Méthodologies
0.4 Organisation de la thèse
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les matériaux composites tissés
1.3 Mécanismes d’endommagement par fatigue des matériaux composites
1.3.1 Endommagement en fatigue des composites stratifiés UD
1.3.2 Endommagement en fatigue des composites stratifiés tissés à armure simple
1.4 Effet des conditions hygrothermiques sur le comportement des composites stratifiés
1.4.1 Effet de la température
1.4.2 Effet de l’humidité sur la résistance et la rigidité
1.4.3 Effet combiné de la température et de l’humidité
1.5 Effets de la fréquence de chargement sur le comportement en fatigue des matériaux composites
1.6 Critère de rupture en fatigue fondé sur le changement de rigidité
1.7 Synthèse de la revue de littérature
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
2.1 Introduction
2.2 Matériaux
2.3 Conditionnement hygrothermique
2.4 Essais mécaniques
2.4.1 Essais quasi-statiques
2.4.2 Essais de fatigue en traction-traction
2.4.3 Essais quasi-statiques post fatigue
2.4.4 Critère de rupture en fatigue
2.5 Système vidéo-extensomètre
2.6 Imagerie par ultrasons (CScan)
2.7 Bilan du chapitre
CHAPITRE 3 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET DISCUSSION
3.1 Introduction
3.2 Comportement de l’absorption d’humidité
3.3 Essais quasi statiques de traction
3.4 Essais de fatigue de détermination du critère du début de propagation de la délamination
3.5 Essais de fatigue traction-traction à la fréquence de chargement de 7 Hz
3.6 Essais de fatigue traction-traction à la fréquence de chargement de 15 Hz
3.7 Comparaison des résultats de essais de fatigue à f=7 Hz et 15 Hz
3.8 Essais statiques de traction résiduelle
3.9 Endommagement du composite stratifié tissé [45/0/-45/90]s
3.10 Bilan du chapitre et originalité des contributions
CHAPITRE 4 MODÉLISATION PHÉNOMÉNOLOGIQUE DU COMPORTEMENT EN FATIGUE DES COMPOSITES TISSÉS SOUS DIFFÉRENTES CONDITIONS HYGROTHERMIQUES
4.1 Introduction
4.2 Classification des modèles de l’endommagement en fatigue des matériaux composites
4.3 Modélisation de la dégradation de rigidité des éprouvettes composites stratifiés tissés
4.4 Modélisation phénoménologique de l’endommagement
4.4.1 Module fatigue comme mesure de l’endommagement total
4.4.2 Module sécant comme mesure de l’endommagement du matériau
4.5 Bilan du chapitre
CHAPITRE 5 MODÉLISATION PAR ÉLÉMENTS FINIS À L’ÉCHELLE MÉSOSCOPIQUE DU COMPOSITE STRATIFIÉ TISSÉ [45/0/-45/90]s
5.1 Introduction
5.2 Cadre théorique
5.2.1 Loi de comportement élastique linéaire
5.2.1.1 Formulation en rigidité
5.2.1.2 Formulation en souplesse
5.2.2 Technique d’homogénéisation périodique
5.3 Modélisation géométrique du composite stratifié tissé [45/0/-45/90]s à l’échelle mésoscopique
5.3.1 Détermination de la CUR d’un composite stratifié tissé
5.3.1.1 Extraction de la CUR des plis en axe du chargement (0/90°)
5.3.1.2 Extraction de la CUR des plis hors axe de chargement (±45°)
5.3.1.3 Calcul de la CUR du composite stratifié [45/0/-45/90]s
5.3.2 Modèle géométrique de la CUR
5.3.3 Propriétés du matériau
5.4 Modélisation numérique de la CUR du composite stratifié tissé [45/0/-45/90]s
5.4.1 Conditions aux limites et de périodicité
5.4.2 Maillage
5.4.3 Propriétés mécaniques de la CUR du composite stratifié et sensibilité du maillage
5.4.3.1 Taille des éléments
5.4.3.2 Type d’éléments
5.4.3.3 Stabilité de la CUR
5.5 Validation du modèle numérique de la CUR
5.5.1 Validation du modèle numérique de la CUR au niveau d’un pli dans l’axe du chargement (à 0°)
5.5.2 Validation du modèle numérique de la CUR du stratifié tissé [45/0/-45/90]s
5.6 Bilan du chapitre
CHAPITRE 6 MODÉLISATION PAR ÉLÉMENTS FINIS À L’ÉCHELLE MÉSOSCOPIQUE DU COMPOSITE STRATIFIÉ TISSÉ ENDOMMAGÉ [45/0/-45/90]s
6.1 Introduction
6.2 Analyses numériques des mécanismes d’endommagements des composites stratifiés tissés
6.2.1 Effet de la taille des fissures transversales sur les propriétés mécaniques du composite stratifié tissé
6.2.2 Effet des fissures transversales sur les propriétés mécaniques du composite stratifié tissé
6.2.3 Effet de la méta-délamination sur les propriétés mécaniques du composite stratifié tissé
6.3 Modélisation numérique de l’éprouvette avec défaut de délamination interne du stratifié composite tissé [45/0/-45/90]s
6.3.1 Géométrie, maillage et conditions aux limites de l’éprouvette
6.3.2 Résultats et discussion
6.4 Bilan du chapitre et originalité des contributions
CONCLUSION