Impact behaviour of sandwich structures with nanoparticle reinforced composite face sheets

par Karthik Ram Ramakrishnan

Thèse de doctorat en Mécanique-Matériaux

Sous la direction de Philippe Viot, Sandra Bergonnier et de Krishna Shankar.

Soutenue le 06-11-2014

à Paris, ENSAM en cotutelle avec l'University of New South Wales , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Gérard Bernhart.

Le jury était composé de Philippe Viot, Sandra Bergonnier, Krishna Shankar.

Les rapporteurs étaient Nadia Bahlouli, Franck Lauro.

  • Titre traduit

    Analyse des structures en sandwich de type panneaux composites renforcés en nanoparticules soumises à un impact mécanique


  • Résumé

    Les structures sandwich sont des structures légères composées de deux peaux superficielles minces, relativement denses, à haute résistance qui sont collées de part et d'autre d'une âme, épaisse, de faible densité telle que les mousses ou nids d'abeilles. Les matériaux sandwich à peau composite renforcée de fibres plastiques et à cœur en matériaux polymère représentent aujourd'hui une classe importante des matériaux structuraux légers dans de nombreux domaines de l'ingénierie tels que l'aéronautique et l'aérospatiale, l'automobile et les structures marines. Toutefois, certaines de ces structures sandwich ont des capacités d'absorption d'énergie très limitées. Cette limitation devient critique lorsque ces structures sont susceptibles d'être soumises à un impact. L'endommagement par impact dans le cas de structures sandwich peut être dû, notamment, à des chutes d'outils, des vols de débris sur piste d'atterrissage, des chocs à oiseaux, des averses de grêles ou des impacts balistiques.Les résines utilisées en tant que matrice dans le cas des sandwiches à peaux en composites stratifiés sont généralement des résines thermodurcissables comme les résines époxy. En raison de la nature fragile de la matrice, même la présence d'un léger délaminage interne se propage essentiellement à angle droit par rapport à la contrainte de compression appliquée ayant alors des résultats désastreux pour la structure sandwich. Une des solutions proposées est alors la modification des résines thermodurcissables avec l'ajout de particules organiques et inorganiques de taille nanométrique. Une nouvelle méthode de synthèse de copolymères par blocs qui s'auto-assemblent à l'échelle nanométrique permettrait de réduire sensiblement les problèmes liés à la dispersion des nanoparticules.L'objectif de ce travail est d'étudier et de mieux comprendre l'amélioration de la résistance à l'impact des panneaux sandwich à peau en stratifiés composites grâce à l'ajout de copolymère tribloc (Nanostrength®) dans la matrice Epoxy du composite Fibres/Epoxy. L'effet des nanoparticules sur les performances mécaniques des panneaux sandwich à peau Kevlar/Epoxy ou Verre/Epoxy et âme en mousse Rohacell® sera investigué : pour cela une comparaison des résultats entre résine pure et résine modifiée par l'ajout de 10% de Nanostrength sera effectuée en utilisant des essais expérimentaux et une modélisation numérique. Ce travail portera sur deux types de chargement d'impact différents ; des impacts à faible vitesse dont l'angle d'incidence est normal à la surface de l'échantillon et des impacts à faible vitesse et à trajectoire parabolique. Un dispositif d'impact tridimensionnel adossé à un hexapode de mouvement a été développé pour étudier la réponse mécanique d'un panneau sandwich soumis à une trajectoire parabolique.La méthode des éléments finis est un moyen largement usité pour étudier l'impact sur les structures et notamment les structures sandwich. Un modèle LS-Dyna a été développé pour la simulation de l'impact normal sur plaque de composites stratifiés et sur plaques sandwich Kevlar/Epoxy – mousse Rohacell®. Une loi de comportement basée sur la mécanique de l'endommagement, disponible dans la bibliothèque de modèles matériaux proposés par LS-Dyna et dénommé « Laminated Composite Fabric » (MAT58) a été utilisée pour représenter le comportement des plaques composites. Les paramètres d'entrée du modèle MAT58 ont été obtenus par combinaison d'essais et études paramétriques. Le modèle « CRUSHABLE FOAM » (MAT63) a été utilisé pour le cœur. Le modèle macroscopique avec une loi de comportement phénoménologique est capable de simuler la réponse macroscopique de composites stratifiés et plaques sandwich soumis à des impacts de faible vitesse.On peut souligner que le développement de panneaux sandwich à matrice renforcée de copolymère tribloc est un domaine prometteur de l'étude.


  • Résumé

    Sandwich structures are lightweight structures composed of two thin, relatively dense, high strength facesheets that are glued on either side of a thick, low density core, such as foams or honeycombs. Sandwich panels with fibre reinforced plastic skins and core of polymer foam represent an important class of lightweight structural materials in many areas of such as aeronautics and aerospace, automotive and marine structures. However, some of these sandwich structures have very limited energy absorption capacity. This limitation becomes critical because these structures are susceptible to be subjected to impact. The impact damage in the case of sandwich structures may be due, in particular, to dropped tools, flights debris, bird strike, hailstorms or ballistic impacts.The resins used as the matrix in the case of sandwich panels with laminated composite facesheets are usually thermosetting resins such as epoxy resins. Due to the fragile nature of the matrix, the presence of even a slight internal delamination spreads at right angles to the applied compressive stress with disastrous results for the sandwich structure. One of the proposed solutions is the modification of the thermosetting resins with the addition of organic and inorganic particles of nanometric size. A new method of synthesis of block copolymers that self-assemble at the nanoscale would substantially reduce the problems associated with the dispersion of nanoparticles.The objective of this work is to study and better understand the improvement of impact resistance of sandwich panels with skin laminates with the addition of tri-block copolymer (Nanostrength®) in the epoxy matrix of fibre / epoxy composite. The effect of nanoparticles on the mechanical performance of the sandwich Kevlar / epoxy or glass / epoxy facesheets and Rohacell® foam core panels will be investigated by comparing the results between pure resin and resin modified by the addition of 10% Nanostrength performed using experimental testing and numerical modelling. This work will focus on two different types of impact loading; low velocity impacts with normal angle of incidence to the sample surface and low velocity impacts with parabolic trajectory. A device for three-dimensional impact has been developed to study the mechanical response of sandwich panels subjected to a parabolic trajectory impact.The finite element method is a widely used method to study the impact on structures including sandwich structures. An LS-Dyna model was developed to simulate the normal impact of composite laminates and Kevlar / Epoxy - Rohacell® foam sandwich plates. A constitutive law based on damage mechanics, available in the material library of LS-Dyna called "Composite Laminated Fabric" (MAT58) was used to represent the behaviour of composite facesheets. The input parameters of the model MAT58 were obtained by combination of tests and parametric studies. The model "Crushable foam" (MAT63) was used for the core. The macroscopic model with a phenomenological law is able to simulate the mechanical response of composite laminates and sandwich plates subjected to low velocity impacts. It may be noted that the development of sandwich panels reinforced with triblock copolymer in the matrix is a promising field of study.


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