Prévision des endommagements au sein de structures composites stratifiées soumises à des impacts basses vitesses/basses énergies pour un matériau composite carbone/époxy de 4ème génération

par Salim Chaibi

Projet de thèse en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Christophe Bouvet.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec ICA - Institut Clément Ader (laboratoire) depuis le 08-11-2018 .


  • Résumé

    En raison de leurs caractéristiques spécifiques élevées, les matériaux composites, et tout particulièrement les stratifiés d'unidirectionnels Carbone/Epoxy, sont de plus en plus largement employés pour la réalisation de structures primaires aéronautiques telles que le caisson central, la voilure ou le fuselage. Ces matériaux sont en revanche très sensibles aux petits chocs. Afin de limiter cette sensibilité, des progrès ont été réalisés sur les nouvelles générations de matériaux composites stratifiés de plis unidirectionnels carbone/epoxy. Il présentent désormais des résines epoxy notablement chargées en nodules thermoplastiques permettant de doper leur tenue au délaminage et présentant des interphases entre plis non négligeables contrairement aux générations précédentes. Dans l'industrie, la simulation robuste de petits chocs sur matériaux composites stratifiés pourrait être un outil essentiel et complémentaire des campagnes d'essais afin d'aider à la définition de règles de dessin à destination des bureaux d'études. Ce rôle n'est pourtant pas encore complètement rempli car les modèles actuels sont encore trop peu robustes. L'étude proposée porte donc sur la prévision des endommagements générés suite à un impact basse vitesse / basse énergie au sein d'un matériau carbone/epoxy de 4ème génération. Il conviendra d'établir expérimentalement le scénario d'endommagement intervenant au sein de ces matériaux stratifiés. Pour cela une importante campagne d'essais d'impact sera effectuée à l'Onera sur différentes configurations (stratifications, épaisseurs, niveaux d'énergies). Une réflexion sur le montage d'impact et sur le contrôle des conditions aux limites d'un tel essai sera menée au préalable. Une des originalités de ce travail de thèse consistera à instrumenter ces essais d'impacts avec des techniques de pointe telles que la corrélation d'images (caméras ultra-rapides) ou de thermographie passive (caméra infrarouge haute fréquence), afin de suivre in-situ l'évolution des endommagements et leurs conséquences. Des moyens de contrôle non destructifs seront également mis en œuvre en analyse post-mortem : microtomographie X (afin d'établir le profil tridimensionnels des endommagements générés), ou contrôle ultrasonore (pour analyser les aires délaminées). Les scénarios d'endommagement de ces nouvelles générations de matériaux composites ainsi établis constitueront une base solide au développement de modèles d'endommagement. Cette thèse s'appuiera sur les modèles d'endommagement et de rupture proposés par l'Onera. Une attention particulière sera portée sur ses capacités à reproduire les mécanismes de dégradation hors plan ainsi que sur la robustesse des simulations, point clé en vue de son transfert vers l'industrie. Les modèles matériaux seront intégrés dans des solveurs éléments finis implicites : le code Zset codéveloppé par l'Onera et le Centre des Matériaux de l'école des Mines de Paris et le code commercial Abaqus. Il est vrai que la plupart des modèles de la littérature s'appuient sur des solveurs explicites, leur avantage réside dans leur capacité à traiter des problèmes peu réguliers comme c'est le cas pour les impacts. Mais en dehors de leurs domaines d'application de prédilection (crash, mise en forme, …) ils ont moins la faveur des industriels qui leur préfèrent souvent les solveurs implicites qui sont plus polyvalents.

  • Titre traduit

    prediction of the damages generated by a low velocity/low energy impact within a 4th generation carbon/epoxy material


  • Résumé

    Because of their high specific characteristics, composite materials, and especially unidirectional carbon/epoxy laminates, are increasingly used for the realization of aeronautical primary structures. These materials are however very sensitive to low energy impacts. In order to limit this sensitivity, progress has been made on new generations of unidirectional CFRP laminate composite materials. They now have epoxy resins that are loaded with thermoplastic nodules, which make it possible to boost their interfacial thoughness compared to the previous generation. In the industry, the robust simulation of low energy impacts on laminated composites could be an essential and complementary tool for test campaigns to help define design rules. This role is not yet completely fulfilled because the current models are still not very robust. The proposed study therefore focuses on the prediction of the damages generated by a low velocity/low energy impact within a 4th generation carbon/epoxy material. It will be necessary to experimentally establish the damage scenario occurring within these laminated materials. A major campaign of impact tests will therfore be conducted at Onera on different configurations (layup, thicknesses, energy levels). One of the originalities of this thesis work deals with the instrumentation of these impact tests with state-of-the-art techniques such as image correlation (high speed cameras) or passive thermography (high frequency infrared camera), in order to follow the evolution of the damage and its consequences. Nondestructive testing will also be implemented in post-mortem analysis: X-ray microtomography (in order to establish the three-dimensional profile of the generated damages), or ultrasonic control (to analyze the delaminated areas). The damage scenarios of these new generations of composite materials thus established will provide a solid basis for the development of damage models. This thesis will be based on the damage models proposed at Onera. Particular attention will be paid to its ability to reproduce off-plan degradation mechanisms as well as the robustness of simulations, which is a key point for its transfer to industry. The material models will be integrated into implicit finite element solvers: the Zset code co-developed by ONERA and the Centre des Matériaux of the Ecole des Mines de Paris and the Abaqus commercial code. Most of the models in the literature rely on explicit solvers, their advantage lies in their ability to deal with non-smooth problems as is the case for impacts. But apart from their favorite areas of application (crash, stamping, ...) they have less favor with industrials who often prefer implicit solvers that are more versatile.