Evaluation expérimentale et numérique des endommagements d'une structure composite sous impact pour une large gamme de vitesses et d'énergies

par Roger Pierre Lemanle Sanga

Thèse de doctorat en Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux

Sous la direction de Olivier Pantalé et de Christian Garnier.

Le président du jury était Alexis Beakou.

Le jury était composé de Olivier Pantalé, Christian Garnier, Olivier Polit, Federica Daghia, Xiao-Jing Gong.

Les rapporteurs étaient Olivier Polit, Federica Daghia.


  • Résumé

    Les matériaux composites utilisés dans l’industrie aéronautique sont très souvent à base de fibres de carbone et de résine époxyde. L’utilisation de nouvelles résines implique une étude constante des critères de dimensionnement mécanique de ces matériaux. Certains de ces critères basés sur la durabilité et la résistance aux sollicitations en dynamique rapide sont faits via des études expérimentales très coûteuses. Le recours à la simulation numérique est d’une importance particulière et apporte un gain financier conséquent. Dans cette étude, nous évaluons à l’aide des expériences et de la modélisation numérique, le comportement à l’impact des structures composites. Notre attention est portée sur le composite à base de tissus de carbone haute résistance G0926 et de la résine époxyde SR1710. Les plaques composites sont fabriquées par infusion de résine liquide suivant la séquence d’empilement [[0/45]3]s puis, soumises à des impacts basse vitesse basse énergie (BV/BE) et des impacts haute vitesse haute énergie (HV/HE). La mise en évidence des endommagements de surface (indentation résiduelle) à l’aide du système ATOS-TRITOP et des endommagements internes (zone délaminée) par la thermographie infrarouge permet d’observer un comportement à l’impact fortement lié à la fois au type d’impact et à l’énergie d’impact. Des tests de compression après impact (CAI) montrent également une variabilité de la résistance mécanique résiduelle liée aux types et énergies d’impact. Des modèles numériques d’impact (2D et 3D) sur le code éléments finis ABAQUS ont ensuite été développés. Les modèles d’impact 3D basés sur lois cohésives avec des critères d’initiation des contraintes quadratiques et les critères énergétiques de propagation de Benzeggagh-Kenane permettent de prédire avec satisfaction les délaminages observés lors des expériences.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical evaluation of impact damages on a composite structure for a wide range of velocities and energies


  • Résumé

    Composite materials used in the aeronautical industry are often based on carbon fiber reinforced polymer composites (CFRP). The use of new polymers implies a constant study of the mechanical criteria dimensioning of these materials. Some of these criteria based on durability and resistance in fast dynamics are made through experimental studies, however very expensive. The use of numerical simulation is essential and reduces financial cost. In this study, we evaluate the impact behaviour of composite structures using experiments and numerical modelling. Our focus is on thecomposite with high-strength carbon fabrics G0926 and epoxy resin SR1710. Composite plates are manufactured by liquid resin infusion following the stacking sequence [[0/45]3]s, then subjected to low-velocity low-energy (LV/LE) and high-velocity high-energy (HV/HE) impacts. Regarding the identification of external damage (residual indentation) by the ATOS-TRITOP system and internal damage (delaminated zone) by infrared thermography, it is possible to observe an impact behaviour strongly linked to both the impact type and the energy of the impact. Compression after impact tests (CAI) also show variability in residual mechanical strength related to impact types and energies. Numerical models (2D and 3D) of impact on the ABAQUS finite element software were then developed. 3D impact models based on cohesive zone approach with quadratic stresses criterion for the initiation of delamination and the Benzeggagh-Kenane criterion for the propagation of delamination allows with satisfaction the delamination observed during the experiments.


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