Propagation d'ondes élastiques dans des multicouches autosimilaires : application aux composites stratifiés renforcés de fibres de carbone

par Marie-Fraise Ponge

Thèse de doctorat en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Vincent Gibiat et de Xavier Jacob.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les matériaux composites renforcés de fibres de carbone sont largement utilisés dans l'industrie. L'association de leurs propriétés de drapage avec le concept d'autosimilarité permet de créer des matériaux innovants. Nous étudions numériquement et expérimentalement la propagation des ondes élastiques dans ces milieux. L'ensemble de Cantor et la suite de Fibonacci génèrent des structures autosimilaires. Les matériaux composites stratifiés renforcés de fibres de carbone sont constitués de plis orthotropes. Nous fabriquons des empilements basés sur l'ensemble de Cantor et la suite de Fibonacci : les processus autosimilaires sont appliqués sur l'arrangement et l'orientation des plis. Un code de calcul unidimensionnel permet de comparer structures périodiques, désordonnées et autosimilaires. Nous montrons que l'autosimilarité des arrangements apparaît dans la transmission acoustique et que les matériaux autosimilaires possèdent à la fois les propriétés de milieux périodiques et aléatoires : bandes interdites et états localisés. L'étude expérimentale ultrasonore d'échantillons composites carbone/PEEK ordonnés et autosimilaires et l'algorithme de la matrice de raideur modélisant la propagation des ondes dans ces matériaux, montrent que les empilements autosimilaires créent des irrégularités déterministes favorables à la réduction de la transmission acoustique et à l'augmentation de l'atténuation. La dimension d'homothétie permet alors d'adapter le rapport taille des hétérogénéités sur longueur d'onde pour optimiser les arrangements.

  • Titre traduit

    Elastic waves propagation in multilayered self-similar media : appliacbility to stratified carbon fiber reinforced composites


  • Résumé

    Fiber reinforced composites are more and more used in industry. The association of their draping properties with self-similarity allows to create innovative materials. Elastic wave propagation in such media is numerically and experimentally studied. The Cantor's set and the Fibonacci sequence generate self-similar structures. Moreover, stratified fiber reinforced composites are constituted by a draping of orthotropic plies. Multilayered Cantor and Fibonacci stacks are manufactured. Self-similarity is applied on geometry and on plies orientation. Periodic, disordered and self-similar structures are compared thanks to a unidirectional numerical model based on a transfer matrix formalism. It shows that stacks self-similarity influences the acoustic transmission properties. Self-similar stacks transmission coefficient presents a self-similar shape and behavior. It is demonstrated that self-similar structures possess periodic and disordered media properties. They combine band-gaps and localization phenomena. Ordered and self-similar samples are then experimentally compared through ultrasonic measures. Experimental transmission coefficients, phase velocities end attenuations indicate that the more disorder there is, the lower the global transmission is and the higher the intrinsic attenuation is. Finally, elastic waves propagation is computed thanks to the stiffness matrix algorithm. It is shown that self-similar structures create deterministic irregularities enhancing the drop of the acoustic transmission and the increase of attenuation. The homothetic dimension allows to adapt the ratio between heterogeneities and wavelength to optimize the self-similar stacks.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (124 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 105-112

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0084
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