Endommagement et rupture des assemblages en T de structures composites pour des applications navales

par Lotfi Hamitouche

Thèse de doctorat en Structures et matériaux. Mécanique

Sous la direction de Alain Vautrin et de Mostapha Tarfaoui.

Soutenue en 2008

à Brest .


  • Résumé

    L’objectif de ce travail est la compréhension des mécanismes de fonctionnement de la liaison des préformes (couture, 2. SD ct 3D) pour un composite verre/vinylester utilisé dans le milieu naval. Afin de caractériser l’apport du renfort suivant l’épaisseur dans la résistance au délaminage, une campagne d’essais a été menée en parallèle avec le développement d’un modèle numérique. L’étude expérimentale comporte d’une part une campagne d’essais du type DCB et ENF avec la détermination de la résistance au délaminage pour quatre configurations de renfort tissu taffetas 2D, tissu taffetas 2D cousu suivant l’épaisseur, tissu 2. 5D et tissu 3D. D’autre part, une série d’essai sur des structures représentatives d’un assemblage en T avec et sans couture a été menée pour la quantification de l’apport de celle-ci dans la résistance structurale. En parallèle, un modèle numérique basé sur la mécanique de la zone cohésive a été développé et implémenté dans le code ABAQUS R° implicite pour la modélisation de l’initiation et de la propagation du délaminage. Le modèle cohésif relie les contraintes aux sauts de déplacement à travers une interface où la fissure peut se créer. L’initiation de l’endommagement est reliée aux valeurs maximales des différentes contraintes aux interfaces. Lorsque l’énergie générée dans l’élément cohésif est égale au taux de restitution d’énergie critique du matériau, les efforts se réduisent à zéro et un nouveau front de fissure est formé. L’étude a été menée en quasi-statique et la résolution numérique du système non-linéaire utilise la méthode de Newton-Raphson qui génère une instabilité matérielle liée au comportement adoucissant du modèle cohésif. On montre sur un essai de traction simple d’une éprouvette composée de deux baffes reliées par un élément cohésif, que la solution du problème discrétisé par élément finis peut diverger. Pour contrôler la convergence du modèle, une viscosité régularisatrice est introduite. Cette énergie supplémentaire ajoutée au modèle permet de résoudre complètement le problème d’instabilité. Après avoir étudié les différentes possibilités de ce nouvel élément d’interface, nous nous sommes intéressés ensuite à la modélisation de la couture. Une étude à l’échelle micromécanique s’avère très difficile compte tenu des problèmes dus à l’identification du comportement de l’interface fibre/matrice et aux conditions aux limites induites par le procédé de couture. Pour cela, nous avons utilisé deux approches. La première est une étude analytique à l’échelle micro du mécanisme d’arrachement d’un fil noyé dans la résine en ajoutant une condition aux limites afin de tenir compte du noeud de couture. La seconde partie est consacrée à la modélisation par éléments finis à l’échelle macro du comportement d’un fil de couture noyé dans une matrice au sein d’une structure.

  • Titre traduit

    Damage and failure of T-joint composite structures for naval applications


  • Résumé

    The objective of this work is understanding the mechanisms of functioning of the z-reinforcement preforms (stitching, 2. 5D and 3D) for a composite glass / vinylester used in the shipyard. To characterize the contribution of the thickness reinforccment in delamination resistance, an experimental test was conducted in parallel with the development of a numerical model. The experimental study includes on the one hand, a test campaign on test DCB and ENF with the determination of the interlaminar fracture toughness for four configurations of reinforcement : 2D taffeta fabric, taffeta fabric with stitching and 2. 5D/3D fabric. On the other hand, a series of tests on representative assembly of T joint structures with or without stitching vas carried out to quantify the z-reinforcement contribution in structural strength. In parallel, a numerical model is based on the cohesive zone model, which is shown to provide an efficient description of the delamination growth Interface zone laws are used to describe the relationships between tractions and displacement jumps through the interface during the debonding process. When the interface is subject to pure I, or II loading modes, the delamination onset occurs if the interlaminar associated stress caches its maximum interfacial value. Delamination propagates when the energy release rate attains its critical value under pure mode I or mode II fracture. The theoretical study is performed in quasi-static regime and an implicit finite element scheme is used. A comprehensive ID example shows that cohesivc elements may induce numerical instahility and that the use of a viscous regularization is relevant to suppress the instability and to obtain a reasonable numerical convergence. A new kind of viscous regularization is proposed, which applies to the bilinear debonding model and has a limited rate dependency. After studying the various possibilities of this new interface element, we are interested to modeling stitching. A study at the micro scale is very difficult. These difficulties are esseatially linked to the problems of identifying the behavior of the interface fiber / matrix and flic boundary conditions induced by the process of stiching. For this, we have used two approaches. The first is an analytical study based on the micro-level mechanism tu pull thread embedded in the resin by adding a boundary condition tu reflect the loop node. The second part is devoted to the macroscopic behaviour law, which describes the micromechanical response of the stitch model. A new finite element model is then performed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (194 f.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 171-178

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  • Cote : TBRC2008/51
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