Etude expérimentale et numérique de l'écrasement de stratifiés composites à base de fibres de carbone

Experimental and Numerical Investigation of CFRP Composite Laminates under Crushing

• Auteur / Autrice : Haris Ahmad Bin Israr Ahmad
• Direction : Jean-Jacques Barrau, Samuel Rivallant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 21/02/2014
• 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

Fragmentation

Essais de compression

Mécanique

Mots clés libres

Ecrasement

CFRP composite

Fragmentation

Mesoscopique

Stratifié

Crushing

CFRP composite

Fragmentation

Mesoscopique

Laminate

Résumé

L’un des défis de la simulation numérique de la résistance au crash des structures composites est de pouvoir prédire les endommagements, leur évolution au cours de l’écrasement et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériau. Le but de cette étude est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans l'écrasement de stratifiés de plis unidirectionnels à base de fibres de carbone et de développer un modèle numérique. Des essais sont réalisés à différentes échelles (macro, micro), et conduisent à la définition d'une nouvelle propriété matériau, essentielle : la contrainte moyenne d'écrasement que peuvent soutenir les plis à 0° ou 90°, et la méthode de caractérisation associée. L’analyse des tests montre également que pour représenter correctement le comportement du matériau pendant le crash (évasement, fragmentation...), il est nécessaire de choisir un modèle à l’échelle méso. Le modèle éléments finis développé repose sur cinq idées principales : 1-mailler chaque pli; 2-utiliser des éléments cohésifs pour représenter le délaminage et l’évasement des plis; 3-pouvoir représenter la rupture des plis en gros fragments; 4-représenter l'écrasement localisé des plis, à leurs extrémités, par l'introduction d'un concept de « free-face-crushing », associé à un critère spécifique basé sur la contrainte moyenne d'écrasement; 5-représenter les contacts entre plis, plis etsocle, plis et débris. Ce modèle phénoménologique est ensuite appliqué à la simulation du crash de plaques stratifiées. A partir des propriétés matérielles élémentaires du pli, il permet de prédire la force, les principaux mécanismes de rupture et la phénoménologie observée lors des expériences.

A challenge in numerical simulation of crashworthiness is to be able to predict the crush damage modes, their evolution during crushing and the energy absorbed in any composite structure from a limited number of material properties. The aim of this study is to improve the understanding of the elementary mechanisms involved in the crushing of CFRP laminates made of unidirectional plies and to develop a numerical model. Crushing tests are performed at different scales (macro, micro), and lead to the definition of a new essential material property: the mean crushing stress that a 0° or 90° ply can support, and its associated characterization method. Tests analyses also show that to correctly represent the material behavior during crushing (splaying, fragmentation…) it is necessary to choose a mesoscale model. The Finite Element model developed in this thesis is based on five main ideas: 1-Meshing of each ply of the laminate; 2-Use of cohesive elements to represent delamination and plies splaying; 3-Possibility to represent failure of pliesinto big-sized fragments; 4-Representation of the localized crushing of plies, at their extremities, with the introduction of a free-face-crushing concept associated to a specific criterion based on the mean crushing stress; 5-Representation ofcontacts between plies, plies and impacted base, plies and debris.This physically based model is then applied to the simulation of the crushing of laminated plates. From elementary material properties of the ply, it allows to predict the force, the main failure mechanisms and the phenomenology observedduring crushing experiments.