Propagation de délaminage par fatigue vibratoire dans un matériau composite

Delamination propagation in composite material under vibratory fatigue

• Auteur / Autrice : Irène Maillet
• Direction : Yves Gourinat, Laurent Michel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/04/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites -- Délaminage

Matériaux -- Fatigue

Composites

Mots clés libres

Matériau composite

Fatigue vibratoire

Délaminage

Propagation

Composite material

Vibratory fatigue

Delamination

Propagation

Résumé

Dans le domaine aéronautique les structures sont soumises à de la fatigue sonique due aux phénomènes aéro-acoustiques. Le dimensionnement statique actuel des avions composites couvre les cas de charge en fatigue. Mais avec le besoin de toujours plus réduire la masse de l’avion et l’augmentation des connaissances dans le comportement matériau, les marges statiques vont être réduites dans un futur proche et la propagation par fatigue deviendra un enjeu majeur. Il sera donc nécessaire d’évaluer la possibilité de propagation d’un délaminage dû à une erreur de fabrication ou un impact dans une structure composite. Dans ce contexte, une méthode a été proposée pour étudier la propagation de délaminage sous chargement vibratoire. Tout d’abord, des essais de caractérisation de la propagation de délaminage sous chargement vibratoire ont été mis en place et validés pour les deux principaux modes de rupture. Les effets induits par la fréquence élevée de sollicitation, auto-échauffement induit et vitesse de chargement élevée, ont été pris en compte dans la mise au point et le traitement de ces essais. Ensuite, des outils numériques ont été développés pour permettre la simulation d’une structure délaminée sous chargement vibratoire et l’étude de la propagation du délaminage. A l’aide des approches expérimentales et numériques mises en place et des données matériau identifiées, l’analyse a pu être conduite sur un cas réel de structure aéronautique. Un essai de fatigue vibratoire sur une structure de reprise de plis a ainsi été réalisé. L’évolution du délaminage pendant l’essai est représenté de façon satisfaisante par le modèle numérique.

Because of their lightness, stress adaptive design and strong stiffness, composite materials are more and more used in aeronautics. Aeronautical structures are submitted to vibrations during their service life due to aerodynamic turbulent flow around the structure. The current static design of composite aircraft covers fatigue loading cases. But with the need to more and more lighten the structure, and the knowledge increase in material behavior, the static reserve factors will be reduced in the near future and sonic fatigue will become a major issue. It will be necessary to evaluate the possibility of a delamination propagation in a composite structure due to a manufacturing error or to an impact. In this context, a method has been proposed to study the propagation of a delamination under vibratory loading. Firstly, tests to characterize the propagation of delamination under vibration loading have been developed and validated for the two main failure modes. The effects induced by the highfrequency loading, self-heat generation and high speed loading, were considered in the elaboration of these tests and in the data reduction. Then, numerical tools have been developed to allow the simulation of a delaminated structure under vibratory loading in order to study the delamination propagation. Using experimental and numerical approaches and the material data identified, the analysis could be conducted on a real case of aircraft structure. A vibration fatigue test on a ply-drop structure has been achieved. The evolution of delamination during the test is adequately modelized by the numerical model.