Dynamique des structures composites linéaires et non-linéaires en présence d'endommagement

par Saber Mahmoudi

Thèse de doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Soutenue le 28-03-2017

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (établissement de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST (laboratoire) .


  • Résumé

    Les structures composites sont souvent exposées à des ambiances dynamiques plus oumoins sévères. Ces vibrations peuvent développer différentes formes d’endommagement(fracture des fibres, délamination, fissuration de la matrice. . . ). Les défauts locaux sepropagent et affectent les propriétés mécaniques de la structure modifiant ainsi soncomportement dynamique global. Ces changements peuvent induire une dégradationrapide de la structure et une réduction de sa durée de vie. La thèse a pour objectif lamise en oeuvre de modèles de comportement pour le dimensionnement de structurescomplexes intégrant des sous-structures composites susceptibles d’être endommagées.La méthode des éléments finis est utilisée pour modéliser le comportement vibratoirelinéaire et non-linéaire de ces structures et l’endommagement est introduit via un modèlebilatéral, dans un premier temps. Durant le processus de résolution, une des difficultésrencontrées est le coût de calcul très élevé. Ainsi, un méta-modèle a été développé basésur les réseaux de neurones artificiels couplé avec la méthode de condensation par sousstructurationde Craig-Bampton. Les réseaux de neurones artificiels permettent d’estimer,à moindre cout numérique, le niveau d’endommagement sans avoir recours au calculexact. Le modèle d’endommagement bilatéral n’est pas adapté au cas de chargementsalternés ou périodiques. Par conséquent, la deuxième partie de la thèse est orientée versle développement d’un modèle d’endommagement unilatéral qui donne une meilleuredescription du comportement mécanique lorsque les micro-fissures sont fermées. De plus,dans plusieurs applications industrielles, les structures composites utilisées sont de faibleépaisseur. Par conséquent, elles peuvent avoir naturellement un comportement vibratoirenon-linéaire de type grands déplacements. Le modèle de comportement dynamique engrands déplacements et en présence de la non-linéarité matérielle d’endommagement estdéveloppé et validé. A l’issue de ces travaux de thèse, un outil numérique implémentésur MATLAB® a été développé intégrant deux modèles d’endommagement, bilatéralet unilatéral et une méta-modélisation permettant la localisation et l’estimation del’endommagement ainsi que la prédiction de la réponse dynamique des structures composites, totalement ou localement, endommagées. Le méta-modèle proposé permet deréduire significativement le coût de calcul tout en assurant une bonne précision en termesde localisation et d’estimation du niveau d’endommagement. Cet outil peut s’avérer utilepour diverses applications dans le domaine de surveillance de l’état de santé des structurescomposites.

  • Titre traduit

    Dynamics of linear and non linear damaged composite structures


  • Résumé

    Composite structures are often exposed to more or less severe dynamic perturbations.These vibrations can develop different forms of damage (fiber fracture, delamination,cracking of the matrix, etc.). Local defects propagate and affect the mechanical propertiesof the structure resulting to modify its global dynamic behavior. These changes can leadto the degradation of the structure and the reduction in its lifetime. This thesis focuseson the implementation of behavior models for the dimensioning of complex structuresintegrating damaged composite sub-structures. The finite element method is used tomodel the linear and nonlinear vibration behavior of these structures where the damageis introduced, initially, via a bilateral model. Since the high computational costs duringthe solving process, a meta-model was developed based on artificial neural networkscoupled with the condensation method of Craig-Bampton. Artificial neural networkspermit to estimate the damage severity at a lower numerical cost without resorting toexact calculation. The bilateral damage model is not adapted to the case of periodic loads.Consequently, the second part of the thesis is oriented towards the development of aunilateral damage model which gives a better description of the mechanical behaviorwhen the micro-cracks are closed. Moreover, in several industrial applications, the usedcomposite structures have small thickness. Therefore, they can naturally have a geometricnon-linear dynamic behavior. The model of dynamic behavior in large displacements andin the presence of material non-linearity of damage is developed and validated. At theend of this thesis, a numerical tool implemented on MATLAB® software was developedintegrating two models of damage, bilateral and unilateral, and a meta-modeling allowingthe localization and the estimation of the damage as well as the prediction of the linear andnon-linear dynamic responses of composite structures, totally or locally, damaged. Theproposed meta-model reduces significantly the computational cost and ensuring a goodaccuracy in terms of localization and estimation of the damage severity. Thereby, thistool can be useful in life-time estimation and monitoring strategies of composite structures.Thèse de


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