Damage modeling of fibre reinforced polymer composite materials under cyclic loadings by a simplified approach

par Dmytro Vasiukov

Thèse de doctorat en Mécanique, Energétique, Sciences des Matériaux

Sous la direction de Stéphane Panier et de Abdelkader Hachemi.

  • Titre traduit

    Analyse simplifiée appliquée à l'endommagement des matériaux composites à matrice polymère sous chargements cycliques


  • Résumé

    Ce travail de thèse présente le développement de modèles numériques pour la modélisation de l’endommagement des matériaux composites à fibres continues et matrice polymère. L’objectif est de fournir des outils numériques efficaces pour prédire l’endommagement sous chargement monotone et cyclique. Deux modèles ont été développés, un basé sur une approche multi-échelle d’homogénéisation et l’autre défini dans le cadre de la mécanique de l’endommagement. Ce dernier est utilisé dans une nouvelle approche pour prédire la durée de vie des matériaux composites. La première approche est une méthode multi-échelle afin d’étudier l’influence de l’endommagement à l’échelle microscopique sur le comportement macroscopique du composite. Le comportement macroscopique est déterminé par homogénéisation d’une cellule unitaire. L’approche est appliquée au cas d’un composite unidirectionnel afin d’étudier l’influence de l’endommagement de la matrice. Pour contourner les difficultés d’une approche multi-échelle, un modèle mésoscopique basé sur le couplage entre la plasticité et l’endommagement est proposé. Le modèle est validé et confronté à d’autres modèles ainsi qu’à des résultats expérimentaux. La dernière contribution est le développement d’une nouvelle approche pour la prédiction de la durée de vie des matériaux composites s’appuyant sur l’hypothèse que le matériau atteint un état stabilisé d’endommagement. Cette hypothèse permet d’utiliser l’analyse simplifiée pour prédire les états stabilisés. Le modèle de fatigue proposé est une loi puissance entre le nombre de cycles et les forces thermodynamiques associées à l’endommagement. L’approche est validée à partir de résultats expérimentaux.


  • Résumé

    A numerical framework for the modeling of the damage in fibre reinforced polymer composite materials has been developped. The objectives were to provide efficient numerical tools to predict the damage under static and cyclic loading. Two different models were proposed, one based on a fully computational multi-scale homogenization technique and a second one under the hypothesis of the meso-mechanics associated with a coupled damage-plastic constitutive model. The latter has been used in a new approach developped to predict the life of composite structures. As a first approach, a multi-scale application has been developed to better understand the influence of the damages occuring at lower scales on the macroscopic response. The macroscopic is defined by homogenization of a unit cell. The scheme is used to analyze the effect of the matrix damage on the material response in the case of unidirectional composites. To overcome the difficulties of the multi-scale approach, a meso-scale phenomenological model based on the coupled plasticity with continuous damage mechanics is proposed. All comparisons of the simulation with experiments and other models have shown good agreements. The third contribution is the development of a new approach to predict the life of composite materials based on the assumption that the material reaches a damage stabilized state during his life. This assumption makes it possible to use the simplified analysis. The life of the material is considered depending on the level of the thermodynamical forces associated with damage at the stabilized state by the use of a power law. Good agreements are obtained with experimental results.

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