Effet de la microstructure sur le décollement à l'interface fibre/matrice dans les stratifiés à matrice polymère avec renfort en fibre soumis à traction

Influence of microstructure on debonding at the fiber/matrix interface in fiber-reinforced polymers under tensile loading

• Auteur / Autrice : Luca Di Stasio
• Direction : Zoubir Ayadi, Janis Varna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université de technologie de Luleå (Suède)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy, Metz ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Berthaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoubir Ayadi, Janis Varna, Federica Daghia, Kristofer Gamstedt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Berthaud, Federica Daghia
• DOI : 10.70675/6b1c44b4ze929z402fza644z5233b38ab242

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stratifiés

Composites à fibres

Interfaces (sciences physiques)

Méthode des éléments finis

Mécanique de la rupture

Microstructure (physique)

Adhésion (physique)

Mots clés libres

Interface fibre/matrice

Décollement

Stratifié en polymère avec renfort en fibre

Méthode des éléments finis (MEF)

Mécanique linéaire élastique de la rupture (MLER)

Fiber/matrix interface

Debonding

Polymer-Matrix Composites (PMC)

Finite Element Method (FEM)

Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM)

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est d'étudier l'effet de la microstructure sur l'amorçage et propagation de décollements entre fibre et matrice. Dans ce but, des modèles de Volume Elémentaire Représentatif (VER) des composites unidirectionnels et des stratifiés croisés sont développés, caractérisés par différentes configurations des fibres et degré d'endommagement. L'amorçage du décollement est analysé par rapport à la distribution des contraintes à l'interface entre fibre et matrice. En revanche, la propagation du décollement est étudiée avec l'approche de la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture (MLER), et plus spécifiquement avec l'évaluation du taux de restitution d'énergie en Mode I et Mode II. Les champs de déplacement et contrainte sont calculés avec la Méthode des éléments finis (MEF) dans le logiciel Abaqus. La détermination des composants du taux de restitution d'énergie est effectuée avec la technique de fermeture virtuelle de fissure implémentée par l'auteur en langage Python. La solution élastique du problème de décollement entre fibre et matrice est caractérisée par la présence de deux régimes : celui de fissure ouverte et celui de fissure fermée. Dans le premier cas, il n'existe aucun contact entre les lèvres du décollement et les champs des déplacements et contraintes présentent une singularité oscillatoire. Un 'étude de convergence de la technique de fermeture virtuelle de fissure est donc requis et constitue le premier élément du travail de cette thèse. Ensuite, la propagation de décollement est étudiée dans Volume Elémentaire Représentative de : composites unidirectionnels avec épaisseur variable, mesuré par le nombre des rangées des fibres ; stratifié croisé avec un pli central à 90° d'épaisseur variable, mesuré par le nombre des rangées des fibres ; composites unidirectionnels épais, modélisés comme infinis à travers l'épaisseur. Configurations multiples de l'endommagement sont aussi examinées, qui correspondent à différentes étapes du processus d'amorçage des fissures transverses : décollements isolés ; décollements interagissant distribués dans la direction d'application de la charge mécanique ; décollements localisés sur fibres consécutives à travers l'épaisseur. Enfin, la taille du décollement juste après l'amorçage et la taille ultime du décollement sont estimées à partir de l'analyse de la distribution des contraintes à l'interface entre fibre et matrice (pour l'amorçage) et sur la base du critère de Griffith de la MLER.

The main objective of the present work is to investigate the influence of the microstructure on debond growth along the fiber arc direction. To this end, models of 2-dimensional Representative Volume Elements (RVEs) of Uni-Directional (UD) composites and cross-ply laminates are developed. The Representative Volume Elements are characterized by different configurations of fibers and different damage states. Debond initiation is studied through the analysis of the distribution of stresses at the fiber/matrix interface in the absence of damage. Debond growth on the other hand is characterized using the approach of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM), specifically through the evaluation of the Mode I, Mode II and total Energy Release Rate (ERR). Displacement and stress fields are evaluated by means of the Finite Element Method (FEM) using the commercial solver Abaqus. The components of the Energy Release Rate are then evaluated using the Virtual Crack Closure Technique (VCCT), implemented in a custom Python routine. The elastic solution of the debonding problem presents two different regimes: the open crack and the closed crack behavior. In the latter, debond faces are in contact in a region of finite size at the debond tip and it is known that stress and displacement fields at the debond tip present an oscillating singularity. A convergence analysis of the VCCT in the context of the FEM solution is thus required to guarantee the validity of results and represents the first step of the work presented in this thesis. Debond growth under remote tensile loading is then studied in Representative Volume Elements of: UD composites of varying thickness, measured in terms of number of rows of fibers; cross-ply laminates with a central 90° ply of varying thickness, measured as well in terms of number of rows of fibers; thick UD composites (modelled as infinite along the through-the-thickness direction). Different damage configurations are also considered, corresponding to different stages of transverse crack onset: non-interacting isolated debonds; interacting debonds distributed along the loading direction; debonds on consecutive fibers along the through-the-thickness direction. Finally, an estimation of debond size at initiation and of debond maximum size is proposed based on arguments from stress analysis (for initiation) and on Griffith's criterion from LEFM (for propagation).