Mécanismes de fatigue dominés par les fibres dans les composites stratifiés d’unidirectionnels

par Fabrizio Pagano

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Alain Thionnet et de Myriam Kaminski.

Soutenue le 04-10-2019

à Paris Sciences et Lettres (ComUE) , dans le cadre de Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Laurent Guillaumat.

Le jury était composé de Alain Thionnet, Myriam Kaminski, Laurent Michel.

Les rapporteurs étaient Benoit Vieille, Frédéric Thiebaud.

mots clés

• Fatigue
• Composite stratifié
• Ud
• Fibre de carbone
• Emissions acoustiques
• Modèle aux éléments finis
• Essais de fatigue
• Mécanique de la rupture
• Multi-instrumentation
• Matériaux -- Fatigue
• Modèles mathématiques
• Éléments finis, Méthode des
• Composites

Résumé

Dans un composite stratifié, les plis orientés à 0° par rapport à la direction du chargement pilotent souvent la rupture sous chargement de traction. Les fibres procurent l’essentiel de la rigidité et la résistance de ces plis. Dans ces travaux de thèse, le comportement en fatigue des plis à 0° est analysé dans des stratifiés unidirectionnels (UD) et multidirectionnels, au moyen d’essais de fatigue multi-instrumentés. Un protocole expérimental est mis en place pour éviter les ruptures prématurées typiques des essais sur UD. L’évolution en fatigue des ruptures de fibres est identifiée par leur émission acoustique. Les mécanismes de fatigue dominés par la rupture des fibres sont analysés par un modèle aux éléments finis développé à l’échelle des constituants.

mots clés

• Fatigue
• CFRP laminate
• Ud
• Carbon fibre
• Acoustic emissions
• FEM model
• Multi-instrumented fatigue tests
• Micro-Mechanics of Failure

Titre traduit

Fibre-dominated fatigue failure in CFRP composite laminates

Résumé

Under quasi-static and fatigue tension loads, the failure of a carbon fibre reinforced polymer laminate (CFRP) is usually driven by 0° plies. Carbon fibres give most of the stiffness and strength of these plies. In this work, the fatigue behaviour of 0° plies inside unidirectional (UD) and multidirectional laminates is analysed via multi-instrumented tension-tension fatigue tests. A numerical and experimental study is addressed to perform fatigue tests without the typical premature failures of the UD laminates. The acoustic emissions technique is used to identify the evolution law of fibre breaks. A finite element model is developed at the microscale (fibres and matrix) to analyse the fibre-driven fatigue mechanisms.