Étude du comportement à l’impact de matériaux composites renforcés par tufting

Study of the impact response of tufted composite materials

• Auteur / Autrice : Paul Deconinck
• Direction : Pierre Chevrier, Vanessa Bouchart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 11/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABPS - Laboratoire de mécanique Biomécanique Polymère Structures - EA4632
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Mercier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Capelle, Ludovic Cauvin, Pierre Louis Hereil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Lachaud, Alain Thionnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres

Résistance des matériaux

Impact

Composites -- Délaminage

Procédés de fabrication

Mots clés libres

Impact

Composites

Délaminage

Tufting (= touftage)

Résumé

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un contexte écologique visant à réduire l’impact environnemental et notamment la pollution des transports aériens. Celui-ci pousse les avionneurs à utiliser des matériaux composites pour des pièces structurelles afin de réduire la masse des aéronefs. Certaines de ces pièces sont particulièrement exposées aux impacts en vol : débris, oiseau, et grêle. Ce type de sollicitation est dans la plupart des cas générateur de délaminage. Or l’étendue de ce type d’endommagement n’est pas détectable lors d’une simple inspection visuelle. Il convient donc de trouver des solutions visant à réduire sa propagation. L’objectif de ces travaux est ainsi d’évaluer l’apport d’un renforcement de type tufting pour la limitation du délaminage mais également pour l’augmentation de la résistance à l’impact. Ce type de renforcement est inspiré des techniques de coutures de l’industrie textile. L’évaluation d’une telle solution nécessitait un banc d’essai adapté aux phénomènes à observer. Un lanceur à gaz à été conçu et développé ainsi que l’instrumentation associée. Les essais d'impacts ont été menés sur différentes configurations de tufting pour lesquelles nous avons fait varier : le pas, la section de fil, le matériau constituant le fil et enfin la densité surfacique de renfort. La gamme de vitesse d’impact est comprise entre 60 et 150 m.s-1. Les énergies absorbées pour chaque configuration ont été mesurées et comparées. Elles ont permis d’esquisser des tendances concernant l'effet des paramètres de tufting sur la résistance à l’impact de ces matériaux. Une méthode d’analyse de la propagation du délaminage a ensuite été développée. Elle a l’avantage de permettre la visualisation du délaminage interlaminaire pour chaque interface, et est donc plus riche que les techniques de contrôle non destructif classiques. L’effet du tufting, et de ses paramètres, sur l’étendue du délaminage a pu être mis en avant. Cette analyse a permis de mettre en évidence des directions préférentielles de propagation qui dépendent à la fois de la séquence d’empilement et de l’armure du tissu utilisé. Une loi de propagation du délaminage fonction de la direction des fibres adjacentes aux interfaces a ensuite été développée à l’aide d’essais de ténacité en mode I et II. Celle-ci a enfin été implémentée dans un modèle d’impact par éléments finis

Economic and ecological contexts impose aircraft manufacturers to find short-term solutions to reduce fuel consumption. For years they have tended to replace metallic structural frames with state-of-the-art composite materials. Some parts such as aircraft engine inlets are however exposed to ice and bird impacts but are also affected by low-energy impacts that could happen during maintenance operations. Yet laminated composites have poor resistance to delamination, which is the main damage genera- ted during impact events. Delamination is known to reduce the post-impact integrity of a structure and is not easy to detect. It is thus necessary to find solutions to re- duce its propagation. The goal of this work is therefore to evaluate the ability of a z-reinforcement technique – the tufting – to contain delamination but also to increase impact resistance. This technique is based on textile sewing techniques. A new ballistic bench with associated sensors has been developed for this study. It allows to carry out impact tests at speeds up to 200 m.s-1 with a 250 g projectile. These tests were carried out for different tufting configurations applied to the same reference material. The tufting parameters were: the pitch, the thread section, the thread material and the areal tufting density. The impact velocities were 60, 80, 110 and 150 m.s-1. Absorbed energies were measured and compared for all configurations. They allowed to draw trends about the effects of tufting parameters on impact resistance. The perforated specimens were then inspected with an original technique allowing the observation of interlaminar delamination area for each interface. The effects of tufting on damage tolerance have therefore been highlighted. It has also revealed the existence of preferential propagation direction of delamination. These directions depend on the stacking sequence and on the fabric architecture. A propagation law for delamination has been developed as a function of the direction of the fiber directions of the adjacent plies. This law has at the end been implemented into a finite element analysis model