Évaluation des capacités prédictives d’un modèle avancé pour la prévision de la tenue de plaques stratifiées perforées

Evaluation of an advanced approach’s capabilities to predict laminated open-hole tensile strength

• Auteur / Autrice : Jérémy Germain
• Direction : Frédéric Laurin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 22/01/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ladevèze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pedro P. Camanho, Laurent Gornet, Zoheir Aboura
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pedro P. Camanho, Laurent Gornet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Composites -- Délaminage

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Construction mixte

Mots clés libres

Composite

Endommagement

Plaque trouée

Rupture

Délaminage

Cfrp

Damage

Open-Hole

Failure

Délamination

Résumé

Ce travail porte sur la prévision de la tenue en traction de structures composites trouées et d’un stratifié d’unidirectionnel carbone/époxy de dernière génération. Cette thèse s’inscrit dans le projet MARCOS, piloté par l’ONERA et DASSAULT AVIATION.Elle consiste à proposer une approche de complexité maîtrisée permettant de prévoir la ruine de plaques perforées composites stratifiées afin de réduire le conservatisme des critères de rupture utilisés en bureau, et à valider l’approche proposée sur des configurations représentatives de celles utilisées dans l’industrie.Les campagnes d’essais de traction sur plaques trouées et leurs analyses disponibles dans la littérature montrent que la fissuration matricielle et le délaminage, sont des mécanismes ayant une influence sur la ruine. On s’appuiera tout d’abord sur une campagne d’essais mécaniques permettant de caractériser le matériau à l’étude.Les données de ces essais permettront l’identification d’un modèle de comportement, qui sera formulé à l’échelle du pli, et dont l’endommagement correspond à une densité de fissures. Les difficultés numériques associées à l’utilisation de modèles avancés dans un code de calcul par éléments-finis seront investiguées.Enfin, une vaste campagne d’essais ONERA/DASSAULT AVIATION, de traction sur plaques perforées mettra en évidence un effet de diamètre, comme il est classiquement observé, ainsi qu’un effet de largeur.Ce dernier consiste en l’augmentation de la contrainte macroscopique à rupture pour des rapports entre la largeur de plaque et le diamètre de trou supérieurs à 5. Ces aspects ont été peu investigués dans la littérature. On s’appuiera sur la riche instrumentation associée à cette campagne d’essais pour expliquer cet effet et évaluer les capacités prédictives de l’approche proposée.

This work focuses on laminated composite open-hole tensile strength prediction, with a new generation carbon/epoxy material. This PhD takes part in a project named MARCOS, led by ONERA and DASSAULT AVIATION.It aims at proposing a fair level of complexity approach to predict laminated composite open-hole tensile strength in order to reduce design office criteria conservatism and performing its validation on industrial test cases. Open-hole tensile test and analysis available in the scientific literature show that matrix cracking and delamination are two mechanisms acting on final failure. We will first perform a mechanical test campaign to characterize the studied material. A material model, written at the ply scale will be proposed.Damage is described thanks to a crack density variable, the model identification will rely on the experimental test results.Numerical difficulties occurring in finite-element computations using advanced approaches will be investigated.Then, an experimental open-hole tensile test campaign led by ONERA and DASSAULT AVIATION, will exhibit a hole size effect, as commonly observed on composite materials, but also a width effect. The width effect consists in a strength increase when the ratio between the open-hole width and the hole diameter is greater than 5 Very few studies focused on the width effect, hence, it will be investigated. We will then use the important instrumentation used on these test to explain this effect and evaluate the proposed approach predictive capabilities.