Contribution à l'étude des résistances en compression et au délaminage de composites stratifiés à fibre(s) continues dans le contexte du nautisme de compétition

Contribution to the investigation of the compressive strength and delamination of continuous fibers laminated composites in the context of competitive sailing

• Auteur / Autrice : Monia Grabow
• Direction : Vincent Keryvin, Christophe Baley, Jean-Claude Grandidier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Solides, des Matériaux, des Structures et des Surfaces
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Loïc Daridon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Daniel Cartié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Guillaumat, Nadia Bahlouli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites -- Délaminage

Essais de compression

Sports nautiques

Hydroptères

Mots clés libres

CFRP

Résistance hors plan

Désalignement de fibre

Placement de fibres automatisé

Drapage manuel

Compressive strength

Interlaminar tensile strength

Fibre misalignment

Automated fibre placement

Hand lay-up

Nautical sector

Strength criteria

Résumé

Les hydrofoils, des ailes sous-marines en matériau composite stratifié (fibre de carbone, matrice époxy), sont dimensionnés en résistance en compression et en résistance hors-plan. Les contraintes de compression agissent principalement dans la zone de cale basse de l’hydrofoil. Dans le cas de l’inversion de portance, les contraintes hors plan peuvent engendrer une rupture du coude par délaminage. La détermination des deux résistances est encore aujourd’hui un défi. Ces dernières décennies, des modèles micro-mécaniques ont été développés pour décrire le comportement fibre-matrice des stratifiés composites sollicités en compression. L’un des paramètres dominants est l’angle de désalignement de fibres, car il est responsable des instabilités locales de la matrice. Jusqu’à présent, la résistance hors plan a été principalement étudiée dans les secteurs aérospatial et aéronautique, ce sujet n’étant toujours pas entièrement maîtrisé. Les travaux de cette thèse sont divisés en deux parties. La première est consacrée à la confrontation de deux méthodes expérimentales pour déterminer les résistances en compression de sept matériaux (fibre de carbone/matrice époxy) différents. Ces derniers sont fréquemment utilisés dans le secteur nautique. L’accent était mis sur la détermination de l’angle de désalignement de fibres en utilisant la méthode de Yurgartis. Les résistances en compression ont été confrontées en prenant en compte la distribution spatiale de fibres. La deuxième partie traite la confrontation des résistances hors plan des cornières unidirectionnelles en fibre de carbone/matrice époxy, fabriquées à la main et par la technologie de placement automatisé de fibres (AFP). Des essais de flexion quatre points ont été mis en mesure et la résistance hors plan a été déterminée en utilisant les solutions de Lekhnitskii et de Kedward. Des simulations par éléments finis ont confirmées les résultats estimés. Des valeurs plus élevées de la résistance hors plan des cornières fabriquées par AFP ont été discutées en faisant la liaison au processus de fabrication, en particulier au mode de compactage.

Hydrofoils, appendices made from CFRP composite materials, are dimensioned in terms of compressive and out-of-plane tensile strengths. The latter is also called inter-laminar tensile strength (ILTS). Compressive stresses are predominantly acting in the lower bearing zone of the hydrofoil. Out-of-plane tensile stresses may cause the hydrofoil elbow to fail by delamination. The determination of both strengths is a current challenge, to date. In the last decades, micromechanical failure theories have been developed to describe the fibre-matrix behaviour of laminated structures under compression. One dominating parameter is the fibre misalignment angle as it triggers local matrix instabilities. The ILTS was mainly researched in the aerospace and aeronautic sector, to date. However, it is still not a fully mastered issue. The present work is divided into two parts. The first part is devoted to the confrontation of two experimental methods to determine the compressive strengths of seven different CFRP materials, frequently used in the nautical sector. The focus will be on the determination of the fibre misalignment angle using Yurgartis method. The compressive strengths will be confronted with regard to the spatial fibre alignment distributions. The second part deals with the confrontation of the ILTS of unidirectional CFRP L-beam specimens, fabricated by hand lay-up and by automated fibre placement (AFP) technology. Four-point-bending tests were carried out. The ILTS was then determined using Lekhnitskii’s and Kedward’s solutions. Finite element simulations confirmed the estimated results. Higher ILTS values of AFP L-beam specimens were discussed and related to the fabrication process, especially to the compaction mode.