Modélisation et identification de lois de comportement avec endommagement en fatigue polycyclique de matériaux composites à matrice thermoplastique

Modeling and identification of a new fatigue damage model for injection-molded short glass fibre reinforced thermoplastics

• Auteur / Autrice : Hedi Nouri
• Direction : Fodil Meraghni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Composites thermoplastiques

Fibres de verre

Résumé

Les matériaux composites thermoplastiques constituent une solution technologique de premier ordre pour la fabrication de pièces et de composants fonctionnels ou de structure notamment pour l’industrie automobile. Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension et à la modélisation de la cinétique d’endommagement dans les thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes (PA6‐GF30) et longues (PP‐GFL40) sous chargement cyclique. Il a permis de développer et d’identifier un modèle d’endommagement en fatigue intégrant la cinétique de dégradation spécifique aux thermoplastiques renforcés. Deux approches complémentaires ont été développées dans de cette étude. La première est une approche expérimentale dédiée à la caractérisation de l’endommagement dans les matériaux étudiés en tenant compte de l’effet du procédé de moulage par injection sur le comportement élastique endommageable. Les résultats de l’approche expérimentale ont alimenté les bases théoriques de la deuxième approche proposant une formulation d’un modèle phénoménologique d’endommagement en fatigue. Le modèle intègre les trois phases d’endommagement des composites thermoplastiques traduites phénoménologiquement par une cinétique d’évolution de cinq variables d’endommagement. Deux stratégies d’identification inverse ont été développées pour la détermination des paramètres du modèle d’endommagement. La première stratégie exploite la perte de modules mesurée lors des essais de fatigue en configuration homogène. La deuxième stratégie exploite les essais de fatigue en configuration hétérogène. Celle‐ci a été optimisée afin de générer une évolution spatio‐temporelle des déformations. Les paramètres d’endommagement sont identifiés par minimisation d’une fonction objectif construite sur la base des champs de déformations hétérogènes et des efforts à la frontière. Les essais de fatigue réalisés à différents niveaux de déplacements imposés ont permis de valider expérimentalement le modèle d’endommagement développé. Les potentialités prédictives du modèle ont été également démontrées à travers la simulation de l’évolution de l’endommagement sous chargement cyclique à amplitudes variables ou dans le cas d’un chargement cyclique biaxial combiné ou séquentiel. Ce dernier aspect permis de démontrer la capacité du modèle à prédire l’effet du trajet de chargement multiaxial sur l’évolution de l’endommagement en fatigue dans les thermoplastiques renforcés.

The present work is a contribution to the phenomenological modelling of fatigue non-linear cumulative diffuse damage in short glass fibre reinforced thermoplastic matrix composites. In such materials, fatigue damage kinetic exhibits three stages, namely: i) material softening and damage initiation, ii) coalescence and propagation of micro-cracks, iii) macroscopic cracks propagation and material failure. The proposed model is built in the framework of the continuum damage mechanics and aims at predicting these three stages of the damage evolution. It extends the previous approach and takes into account the important stiffness reduction observed during the first damage stage. The above is modelled by the integration of a combined Norton-like power law and an exponential law expressing the damage rates as a function of the associated thermodynamic dual forces. The model has been formulated in terms of strain energy, so that makes easy its numerical implementation into the finite element code Abaqus/Standard through a user defined material subroutine UMAT. Damage evolutions predicted by the developed model reproduce well those observed for this kind of composites under cyclic loading. Two identification strategies are developed. The first identification strategy based on homogeneous tensile fatigue tests performed in the longitudinal and transversal directions of a PA6-GF30 and a PP-GFL40. A second identification strategy based on the use of optical whole-field displacement/strain measurements by digital image correlation coupled to an inverse method from one single coupon.