Analysis of damage mechanisms in composite structures reinforced by tufting

par Alan Martins

Thèse de doctorat en Mécanique et Matériaux : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (UMR-7337)

Sous la direction de Abdelouahed Laksimi et de Zoheir Aboura.

Soutenue le 15-11-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Analyse des mécanismes d'endommagement des structures composites renforcées par le tufting


  • Résumé

    Cette étude portait sur l’évaluation des performances mécaniques et des mécanismes de défaillance des composites cousus dans différentes conditions de chargement. Des plaques stratifiées et des raidisseurs renforcés par tufting ont été fabriqués avec différents paramètres de couture afin d'évaluer leur effet sur les propriétés des composites. L'investigation a été assistée par une caractérisation multi-instrumentée pendant les tests. Les plaques cousues soumises à des tests de cisaillement à poutre courte sont utilisées dans l'analyse du comportement de la densité et de l'angle de couture dans des conditions de chargement en mode II, tandis que des tests d'impact et de compression après impact (CAI) sur la tolérance aux dommages. Des tests de fatigue en éprouvettes trouées ont également été réalisés afin d’évaluer la réponse des coutures, en particulier leur position par rapport au trou central, à la concentration de déformation générée par le trou. La suite de ce travail a consisté en des tests mécaniques sur panneau raidi oméga renforcé par tufting. La procédure a optimisé les paramètres de touffetage utilisés pour renforcer les structures du lot précédent d'échantillons jusqu'à atteindre un point optimal où les propriétés principales, principalement trouvées dans les tests d'arrachement, sont égales ou supérieures à celles des échantillons témoins. Cette amélioration tenait également compte des modifications de la forme des raidisseurs. En outre, une nouvelle approche basée sur l’effet piézorésistif des coutures en fibres de carbone lors du chargement des éprouvettes composites est réalisée. Cela peut faciliter la surveillance de l’état de santé des fils cousus et donc du composite en raison de la nature structurelle des coutures. Les résultats ont montré que les renforts par tufting sont capables d'augmenter considérablement la ténacité entre les composites et la tolérance aux endommagements des composites, principalement en raison de leurs phénomènes de pontage des fissures. Les paramètres de tufting sont des facteurs décisifs pour obtenir les meilleures propriétés mécaniques. Cependant, ces travaux ont montré que les fils de coutures sont également responsables de la création de fissures dues à la concentration de contrainte et aux défauts causés par leur insertion et, par conséquent, à la diminution de la résistance des composites. L'enquête conclut que l'insertion aléatoire des touffes n'est pas idéale pour la performance du matériau et doit donc être évitée. Le développement de l'insertion des coutures dans les raidisseurs oméga a été soutenu par la caractérisation multi-instrumentée qui a permis d'optimiser le renforcement de la structure. Bien que l’étude ait permis d’obtenir des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles des panneaux oméga renforcés par touffetage, il est évident que la procédure employée n’est pas optimale. Le présent travail propose également un modèle préliminaire d'éléments finis pour surmonter le coût et la perte de temps des tests expérimentaux. Il vise principalement à optimiser les paramètres de tufting dans la structure. Le modèle développé était capable de prédire les mêmes endommagements que ceux observés expérimentalement, mais encore éloignés des prévisions quantitatives des résultats. Le contrôle de l’état structurel des stratifiés composites cousus par les fils de carbone semble prometteur et pourrait aider à l’avenir à fournir des informations sur l’état de santé des coutures sous chargement qui ne sont pas atteintes par les méthodes de caractérisation classiques utilisées dans ce travail.


  • Résumé

    This study focused mainly on the assessment of the mechanical performance and the failure mechanisms of tufted composites under divers loading conditions. Laminated plates and stiffened panels reinforced by tufting was manufactured with different tufting parameters to evaluate their effect in the properties of the composites. Multi-instrumented characterization carried out during the tests assisted the investigation. The tufted plates subjected to short-beam shear tests aided especially in the behavior analysis of tufting density and angle in mode Il loading condition, while impact and compression after impact (CAI) tests on the damage tolerance. Open-hole fatigue tests were also performed to evaluate the tufts response, especially regarding their position to the center hole, to the strain concentration factor generated by the hole. The following part of this work consisted of the mechanical tests on omega stiffened panel reinforced by tufting. The procedure optimized the tufting parameters employed for reinforcing the structures from the previous batch of specimens until reaching an optimal point that the main properties, primarily found in pull-off tests, are equal or superior to those of the control specimens. This improvement also considered the modifications in the shape of the stiffeners. Furthermore, a novel approach based on the piezoresistive effect of carbon tufts under loading of the composite specimens is performed. This may support the monitoring of the health status on the tufted threads and therefore of the composite because of the structural nature of the tufts. The results showed that tufting reinforcements are capable of increasing the interlaminar fracture toughness and damage tolerance of the composites considerably owing mainly to their crack bridging phenomena. The tufting parameters are decisive factors for achieving the best mechanical properties. However, this work reported that tuft threads are also responsible for generating cracks due to the strain concentration and defects caused by their insertion and consequently, can decrease the strength of the composites. The investigation concludes that the random insertion of the tufts is not ideal for the performance of the material and thus must be avoided. The development of the tufting insertion in the omega stiffeners was supported by the multi-instrumented characterization that led to optimizing reinforcement in the structure. Although the study achieved the goal of obtaining mechanical properties significantly superior to the omega panels reinforced by tufting, it is noticeable that the procedure employed is not optimal. The present work also proposes a preliminary finite element model to overcome the costly and time consuming of the experimental tests. It intends primarily optimizing the tufting parameters in the structure. The model developed was capable of predicting the same damage events as observed experimentally, but it still distant from the quantitative predictions of the results. The structural health monitoring of the tufted composite laminates by the carbon threads seems promising and could help in the future for supplying data about the tufts health status under loading that are not achieved by the conventional characterization methods employed in this work.


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