MODELISATION MULTIPARTICULATE DES PLAQUES MULTICOUHES IMPACTEES

INTRODUCTION DU PHENOMENE D’IMPACT SUR PLAQUES MULTICOUHES

Par impact, nous faisons référence à l’impact physique, défini comme un événement impliquant la collision de deux objets. Les impacts sur composites laminés couvrent une gamme d’exemples multiples et variés: cela peut aller des impacts lents tels que la chute d’outils lors des opérations d’élaboration ou d’entretien, jusqu’aux impacts beaucoup plus rapides tels que l’impact d’un caillou, d’un oiseau, ou de la glace sur les lames des turbines d’avions, ou encore le choc des vagues contre les bateaux constitués d’épais laminés en fibres de verre. A travers cette variété, nous allons ici évoquer deux classifications des impacts: une classique et une plus physique. La classification classique s’appuie sur les concepts simples de masse et de vitesse du projectile, qui sont généralement des données du problème; L’autre classification, dite phénoménologique, s’intéresse au phénomène physique d’ondes transitoires, tout en essayant de déterminer le type d’onde dominant la réponse. III.1.1. Classification classique des impacts sur plaques multicouches Classiquement, plusieurs façons ont été utilisées pour classifier ces impacts [SAbrate {¡991)]. Quelques auteurs établissent une classification à partir de la seule donnée de la vitesse d’impact. Par référence à la valeur de cette vitesse, ils classent alors les impacts en impacts à ‘grande vitesse’ (quelques dizaines de m/s) et impacts à ‘faible vitesse’ (quelques m/s), chacune de ces deux classes devant présenter des propriétés caractéristiques qui lui sont propres. Cependant, il a été observé que le choix d’une plaque suffisamment grande ou d’une masse suffisamment petite conduit, avec une vitesse faible, à des propriétés caractéristiques des impacts dits à grande vitesse. Pour une masse donnée, la description de l’événement impact à partir de la seule énergie d’impact est donc insuffisante. La masse et la vitesse du projectile doivent donc être conçues comme deux paramètres indépendants dont peut dépendre le type d’impact. En termes simples, nous pouvons alors diviser les problèmes d’impact en deux classes: – impacts à faible vitesse et grande masse (chute d’objets par exemple), induisant la déformation de l’ensemble de la structure (fig.3.1). 59 Synthèse bibliographique Cet impact est généralement simulé en laboratoire par la chute libre de poids ou le balancement de pendule (voir EŒ.2.L); – impacts à grande vitesse et petite masse (projection de cailloux, petites armes à feu…), induisant des déformations localisées et une énergie dissipée par une petite zone au voisinage du point d’impact (fig.3.2). Cet impact est généralement simulé par canon à gaz (voir HI.2.Î.). En reprenant les termes de choc lent et de choc rapide, certains chercheurs [W.J.Cantwell & J.Morton (1989)] considèrent alors qu’un choc est rapide si la déformation reste confinée dans une zone de faible dimension, les ondes n’atteignant alors pas les bords de la structure avant la fin de l’événement. D le considèrent comme lent si par contre, les ondes se réfléchissant, l’ensemble de la structure se déforme. H n’en reste pas moins que cette classification présente le défaut de ne pas pouvoir classer les exemples d’impacts intermédiaires, qui sont par ailleurs les plus nombreux. 

Classification phénoménologique des impacts sur plaques multicouhes

L’analyse de la réponse à l’impact d’un composite laminé peut être faite à partir d’une étude expérimentale ou d’une étude numérique. Pour planifier de telles études, il est important au préalable, de comprendre parfaitement le mécanisme et la dynamique de l’impact, c’est à dire le phénomène impact, et de pouvoir le classifier. Une façon de comprendre le phénomène est de considérer les différents types d’ondes qui se propagent dans la structure à la suite d’un impact, et d’en déterminer celui qui est dominant. Nous partirons d’abord du fait que la plupart des cas d’impact sur structures multicouches peuvent être modélisés par l’impact transverse d’un projectile de petite dimension sur une plaque. Un tel impact donne naissance à trois types d’onde, se propageant à partir du point d’impact [R.Olsson (1992a)]: – des ondes rapides à travers l’épaisseur. Ces ondes de compression se réfléchissent sur la face inférieure de la plaque pour donner naissance à des ondes de traction qui se superposent. En fait, la propagation de ces ondes est sphérique. Les déformations associées sont faibles (fig.3.3). 

Les machines et les techniques expérimentales utiisées

Comme nous î’avons vu, les types d’impact que l’on peut rencontrer en pratique sont variés. Pour simuler ces impacts en laboratoire, différentes machines et techniques sont utilisées. Nous en citons les plus connues [WJ.Cantwell & JMorton (1991), P.Hamelin (1990)]. a) Pendule de Charpv Conçu à l’origine pour des métaux, il a été utilisé dans les premières études menées sur les composites. L’essai de Charpy est utilisé dans une gamme de vitesse allant de 1.5 à 2m/s et des énergies allant jusqu’à 15 joules. L’échantillon est une poutre épaisse et courte avec une entaille au milieu. Placé verticalement, il est impacté par un pendule en balancement. Bien que facile à mettre en oeuvre, cet essai présente beaucoup d’inconvénients; le principal concerne la méconnaissance du trajet exact de chargement, à cause de la méconnaissance de la vitesse du projectile pendant le chargement. L’essai ne permet pas l’accès à la force réellement appliquée lors de l’impact. Son utilisation se trouve limitée par la forme de l’échantillon, qui ne correspond pas à celle des constituants typiquement utilisés par l’ingénieur. De plus, l’essai étant destructif, i! induit à faible vitesse, des modes de rupture que l’on n’observe pas nécessairement en pratique. En fait, ce test sert uniquement à classer l’impact et à déterminer, en première approximation, la résistance du matériau.