Marine ageing and fatigue of carbon/epoxy composite propeller blades

par Antoine Le Guen-Geffroy

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, mécanique des fluides et énergetique

Sous la direction de Peter Davies.

Le président du jury était Christophe Baley.

Le jury était composé de Peter Davies, Christophe Baley, Christian Hochard, Christian Berggreen, Thomas Bonnemains, Lénaïk Belec.

Les rapporteurs étaient Christian Hochard, Christian Berggreen.

  • Titre traduit

    Vieillissement en milieu marin et fatigue des pâles d’hélices en carbone/époxy


  • Résumé

    Les travaux présentés portent sur l’étude du vieillissement en milieu marin d’un composite carbone époxy pour applications pâles d’hélice de navires. La caractérisation de la prise en eau dans la résine pure et le composite a montré un comportement Fickien. La présence d’eau dans les porosités du composite a également été mise en évidence analytiquement. Le vieillissement accéléré de la résine a mis en évidence trois phénomènes : l’oxydation, le vieillissement physique et la plastification. L’effet mécanique de ces deux derniers a été particulièrement étudié. La présence d’eau et donc d’une résine plastifiée a eu l’effet d’accélérer le vieillissement physique. L’effet du vieillissement accéléré sur le composite a ensuite été étudié sous différentes sollicitations quasi statiques et de fatigue. Peu d’effets de l’eau ont été relevés pour les sollicitations de traction sur des orientations sens fibres. Cependant, des pertes de plus importantes des propriétés mécaniques ont été observés en traction sens transverse aussi bien en statique qu’en fatigue. Ces mêmes résultats ont été trouvés sous sollicitations de flexion grâce à l’essai de flexion quatre points. Ce dernier a été discuté du fait de l’endommagement qu’il provoque. Enfin, le composite a été étudié sous sollicitations de délaminage suivant deux modes de fissuration: ouverture et cisaillement dans le plan. La présence d’eau a eu pour effet de diminuer l’énergie de fissuration dans les deux modes. Ce même résultat a été trouvé sous chargement de fatigue. L’influence du vieillissement physique sur les propriétés mécaniques du composite a également été démontré, son effet étant négatif, il nécessite d’être pris en compte.


  • Résumé

    The current document presents the long term seawater ageing effect on the fatigue properties of carbon fibre reinforced epoxy marine propeller blades. Seawater uptake in the resin and the composite was identified to correspond to a Fickian diffusion. Calculations of the mass to saturation of the composite based on that of the resin reveal the presence of water in the composite’s porosities.Accelerated ageing of the pure resin highlighted three ageing phenomena: oxidation, plasticization and physical ageing. The last two were mechanically characterized separately and coupled with one another. Above all, it was shown that the presence of seawater accelerated the physical ageing kinetics by reducing the relaxation time. The composite was studied under different quasistatic and cyclic loadings.Few effects of seawater have been found for tensile stresses on fibre oriented loadings. This was not the case for transversely loaded composite that showed a non-negligible decrease of the mechanical properties for both static and fatigue loadings. This was also the case for flexure loading which was studied under four-point flexure. This latter test method was particularly studied due to the particular induced damage. The composite was studied under two delamination loadings: crack opening and inplane shear. It was observed that seawater decreased the critical strain energy release rates for both load cases as well of the fatigue resistance of both crack modes. Finally, the effect of physical ageing on the composite was studied and found to be non-negligible, demonstrating the necessity of taking it into account for both ageing and mechanical design.


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