Modélisation numérique pour la tolérance aux dommages d’impact sur stratifié composite : de l’impact à la résistance résiduelle en compression

Numerical modeling for impact damage tolerance on composite laminate : from impact to compressive residual strength

• Auteur / Autrice : Natthawat Hongkarnjanakul
• Direction : Christophe Bouvet, Samuel Rivallant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2013
• 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

Éléments finis, Méthode des

Composites

Impact

Mots clés libres

Tolérance aux dommages

Impact

Composite

Compression après impact

Indentation permanente

Eléments finis

Damage tolerance

Impact

Composite

Compression after impact

Permanent indentation

Finite element

Résumé

Les impacts sur structures composites peuvent fortement diminuer leur résistance résiduelle sans laisser de marque visible sur la surface extérieure. Dans le domaine aéronautique, un seuil minimum de détection de l’endommagement d’impact est défini, basé sur l’indentation permanente laissée par l’impact. En deçà de ce seuil, la structure doit résister à un chargement défini : c’est la notion de tolérance aux dommages d’impact. Dimensionner numériquement une structure composite en tenant compte des aspects détectabilité et tolérance aux dommages nécessite donc de savoir modéliser à la fois l’impact, l’indentation permanente et la résistance résiduelle sous compression.Ces travaux se focalisent sur la modélisation numérique des composites stratifiés formés de plis unidirectionnels. L’objectif est d’établir un modèle prédictif de la tenue résiduelle après impact. Une étude expérimentale a été réalisée afin d’étudier le scénario d’endommagement à l’impact et sous compression après impact (CAI), et de fournir des résultats expérimentaux pour valider les modèles numériques.Une modélisation par éléments finis avec une approche de type Discrete Ply Model (DPM) est effectuée, basée sur des travaux précédents. Le modèle d'impact est amélioré et validé sur différentes séquences d'empilement pour assurer la robustesse du modèle. Des essais de flexion trois points spécifiques sont réalisés pour apporter une meilleure compréhension de la formation de l'indentation permanente. Un nouveau modèle d'indentation permanente est alors proposé et appliqué dans le modèle d'impact. Enfin, un modèle de CAI est construit pour prédire la résistance résiduelle. Les trois étapes : impact, indentation et CAI sont combinées au sein d’un unique modèle.

Impacts on composite structures can greatly reduce their residual strength without leaving a visible mark on the outer surface. In aeronautics, a minimum detection threshold of the impact damage is defined, based on the permanent indentation left after impact. Below this threshold, the structure must withstand a defined load: it is the notion of impact damage tolerance. The numerical design of a composite structure taking into account aspects such as detectability and damage tolerance thus requires to know how to represent impact, permanent indentation and residual strength under compression.This work focuses on the numerical modeling of composite laminates made of unidirectional plies. The objective is to develop a predictive model of post-impact residual strength. An experimental study was conducted to investigate the damage scenario during impact and compression after impact (CAI), and provide experimental data to validate the simulations.A finite element modeling with a Discrete Ply Model (DPM) approach is performed based on previous work done at the laboratory. The impact model is improved and validated on different stacking sequences to ensure the robustness of the model. Specific three-point bending tests are performed to have a better understanding of the formation of permanent indentation. A new model of permanent indentation is then proposed and applied in the impact model. Finally, a model is built to predict CAI residual strength. The three steps: impact, indentation and CAI are combined into a single model.