Development of testing methods for characterization of delamination behavior under pure mode III and mixed modes in a laminated composite

par Yangyang Ge

Thèse de doctorat en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Xiao-Jing Gong, Anita Hurez et de Emmanuel De Luycker.

Soutenue le 28-09-2016

à Toulouse 3 , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Institut Clément Ader (Toulouse) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Développement des méthodes d'essai pour caractérisation du délaminage en mode III pur et modes mixtes de composites stratifiés


  • Résumé

    Le but de ce travail est la caractérisation du comportement au délaminage des composites stratifiés en mode mixte I+II+III, en se focalisant en particulier sur le verrou scientifique que représente le mode III pur. Cette thèse repose sur un travail à la fois expérimental et numérique, validant numériquement les tests existants et ceux développés. La mise en perspective des résultats obtenus a permis, d'un coté, de mieux appréhender l'importance de la distribution des taux de restitution d'énergie, GI, GII et GIII, le long du front de fissure sur le la détermination de la ténacité du composite et d'un autre coté, de proposer et d'améliorer les méthodes de caractérisation. Avant d'évoquer le délaminage en mode mixte, nos efforts se sont d'abord concentrés sur la caractérisation du délaminage en mode III pur. Deux essais de type " Edge Crack Torsion " (ECT) disponibles dans la littérature ont été réalisés. La distribution de GIII le long du front de fissure a été déterminée par la méthode des éléments finis (MEF) en utilisant la technique de fermeture virtuelle de fissure (VCCT). La capacité de ces tests est compromise par : 1. La participation du mode II non nul ; 2. La forte variation de GIII près des bords de l'éprouvette. Ces problèmes rendent la détermination de la ténacité en mode III pur, GIIIC, difficile et imprécise. Par la suite, un nouveau test a été proposé, nommé "Edge Ring Crack Torsion" test (ERCT ou ERT-III). Il s'appuie sur une éprouvette possédant une fissure de front circulaire, l'absence d'extrémités sur le front de fissure permet de supprimer les effets de bords. Après l'optimisation et la modification de la géométrie du dispositif dans le test ERCT original, GIII le long du front de fissure reste presque constant avec très peu de modes parasites. La formule proposée par Tada est appliquée pour déterminer GIIIC. Il est démontré qu'en général, si la variation de GIII est faible le long du front de fissure, la ténacité déterminée par une solution " closed-form " concorde bien avec celle obtenue numériquement. En fait, la répartition de GIII peut être influencée par divers facteurs, tels que la nature des stratifiés, la géométrie du dispositif expérimental et la géométrie des éprouvettes. L'interaction de ces facteurs a été aussi abordée dans cette étude. En outre, une étude numérique de sensibilité aux défauts a permis de vérifier la robustesse de l'essai proposé vis-à-vis de différents défauts qui sont inhérent à tout travail expérimental. Enfin, une géométrie d'éprouvette optimisée est donnée avec une méthodologie permettant de réduire les fluctuations de GIII. L'utilisation de l'éprouvette ERC a été généralisée à la caractérisation du délaminage pour deux autres modes purs : l'essai de traction permet de solliciter ERC en mode I pur et celui de flexion sollicite ERC en mode II pur, nommé ERCTE ou ERC-I et ERCF ou ERC-II, respectivement. Les avantages du test ERCT sont bien conservés. La réalisation des essais ERC-I, ERC-II et ERC-III permet de mesurer la ténacité de chacun des trois modes purs sur des éprouvettes ayant la même géométrie. Finalement, nous avons étudié numériquement la faisabilité de réaliser les essais de délaminage en mode mixte I + II, I + III et I + II + III sur les éprouvettes ERC. Il s'avère que le rapport modal en mode mixte peut être obtenu dans une large gamme en faisant varier la géométrie de l'éprouvette et en combinant les modes de chargement. Aucun mode indésirable n'est présent lors des essais en mode mixte I+II ou en mode mixte I+III. Cependant la distribution de GI, GII et GIII ne sont pas complètement uniforme, mais sa variation reste assez petite. En conclusion, les tests ERC proposés dans cette étude sont prometteurs pour la caractérisation du comportement au délaminage en mode mixte des composites. Il serait possible, dans un avenir proche, de proposer un critère de délaminage en mode mixte I+II+III basé sur une étude utilisant des essais sur éprouvettes ERC.


  • Résumé

    The aim of this research work is to characterize the delamination behavior of laminate composite materials under the three pure modes and mixed modes, focusing especially on the complex issue of mode III. Both experimental and numerical works were performed, validating the existing and new testing methods. Correlation between the results obtained aims, on the one hand to better understand the distribution of strain energy release rates (GI, GII, GIII) along the crack front; on the other hand, to propose and improve testing methods, and to propose and validate simple approaches for determination of delamination toughness. Pure mode III testing methods are studied. Firstly, two kinds of Edge Crack Torsion tests were carried out, the distribution of GIII along the crack front were determined by finite element analysis (FEA) using virtual crack closure technique (VCCT). The performances of these tests are compromised by the drawbacks: (1) A participation of mode II component cannot be completely eliminated; (2) The distribution of GIII along the crack front is not uniform especially near the sides. After a study of existing tests, a novel mode III testing method was proposed, named Edge Ring Crack Torsion test (ERCT or ERC-III later). In the ERC specimen, the total absence of sides in the circular crack front leads to no edge effects. As a result, pure mode III delamination is achieved and the distribution of GIII along the crack front is quite uniform. In fact, the values of GIII along the crack front are nearly constant after optimizing and modifying the geometry of device in the original ERCT test. A closed-form solution proposed by Tada is applied to determine mode III delamination toughness. In ERCT test, the results calculated by Tada formula agree well with the ones calculated by VCCT when the distribution of GIII is relatively uniform. Actually, a numerical study shows that the distribution of GIII can be affected by different factors related to the nature of laminates tested, the geometry of test device and the geometry of the specimens. The interactive effect of above factors was also discussed in this study. In order to understand the influence of potential defaults on the performance of ERCT test, sensitivity study has been performed on the relative position of the crack front, the circularity of the crack front and the specimen shape. Optimum specimen's relative pre-crack geometry is given and a method for reducing the variation is provided. Then the application of ERC specimen was generalized to other pure delamination modes characterization. Pure mode I can be realized if ERC specimens are loaded in tension, named ERCTE or ERC-I, so can pure mode II if ERC specimens are loaded in flexion, named ERCF or ERC-II. The distribution of the strain energy release rates was also evaluated by FEA using VCCT. These tests keep most advantages of ERC-III test. Pure mode I and pure mode II delamination are achieved respectively and the distribution of GI or GII along the crack front is quite uniform. The realization of ERC-I, ERC-II and ERC-III allows to measure the toughness of each of three pure modes without any interference from geometry of specimens. Finally, we have studied numerically the feasibility to realize the delamination tests in mixed mode I+II, I+III and I+II+III by using ERC specimen. Firstly, the mixed mode ratio can be obtained in a large range by varying the geometry of the specimen and by combining loading modes. Secondly, no unwanted mode is presented for mixed mode I+II and mixed mode I+III; Thirdly, the distribution of strain energy release rates are not completely uniform but its variation is small enough to be accepted. In conclusion, ERC tests are promising testing methods for characterization of mixed mode delamination behavior. It will be possible to propose a mixed mode I+II+III delamination criterion based on the investigation by ERC tests in a close future.


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