Étude expérimentale et numérique des effets de l'humidité sur le comportement en flexion et les mécanismes d'endommagement des structures sandwichs composites par émission acoustique et thermographie infrarouge

Experimental and numerical investigation of moisture effects on bending behaviors and damage mechanisms of composite sandwich structures by acoustic emission and infraRed thermography

• Auteur / Autrice : Yuan Wu
• Direction : Xiao-Jing Gong, Marie-Laetitia Pastor, Marianne Perrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 05/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Sicot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Godin, Jean-Claude Grandidier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Humidité

Matériaux sandwichs

Mots clés libres

Mécanismes d'endommagement

Structures sandwichs

Effets de l'humidité

Émission acoustique

Thermographie infrarouge

Modèles numériques

Damage mechanisms

Sandwich structures

Moisture effects

Acoustic emission

Infrared thermography

Numerical models

Résumé

Grâce à leurs propriétés spécifiques exceptionnelles aussi bien en rigidité qu’en résistance, à leurs faibles coûts, les structures sandwichs avec les peaux en composites stratifiés, telles que les panneaux en fibres de verre (GFRP)-balsa et en fibres de carbone (CFRP)-nid d'abeille, sont de plus en plus utilisées dans les industries maritimes et aéronautiques. Ce type de structures sont en général conçu pour supporter la charge de flexion, dont les peaux sont principalement sollicitées en traction et en compression due au moment fléchissant, tandis que l'âme est soumise à des contraintes de cisaillement transverses dues à l’effort tranchant. Les objectifs de cette thèse sont de caractériser expérimentalement et numériquement les effets de l'humidité sur les comportements de flexion et les mécanismes d'endommagement des structures sandwichs en fibres de verre-balsa et en fibres de carbone-nid d'abeille sous flexion 4 points, à l'aide de l'Emission Acoustique (EA) et de la Thermographie InfraRouge (TIR). Tout d'abord, grâce aux essais préliminaires de Hsu-Nielsen, une nouvelle méthode de détermination rapide de la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans toutes les directions a été proposée pour les structures sandwichs les plus couramment utilisées. Elle est basée sur des mesures de la vitesse dans la peau composite dans une seule direction. Ensuite, une nouvelle méthodologie est proposée pour prédire le module d'élasticité de la peau d’une structure sandwich humide basée sur les relations entre la teneur en humidité, la vitesse des ondes acoustiques et le module d'élasticité. Enfin, des essais de flexion statique 4 points suivis par TIR et EA ont permis de vérifier la bonne cohérence entre la réduction de la rigidité en flexion et la prédiction du module élastique du sandwich humide obtenu par la nouvelle méthode proposée. A l’aide de la technique EA, une approche de caractérisation des endommagements couplant les caractéristiques d'amplitude, de durée et de pic fréquentiel via l’algorithme K-means est également développée pour identifier la séquence des endommagements et classer les modes d’endommagement des structures sandwiches en flexion. Afin de prédire le comportement en flexion des composites sandwiches, les essais réalisés sont aussi modélisés numériquement par Abaqus en introduisant la variation des propriétés mécaniques en fonction de l’humidité absorbée, telles le module d'élasticité, la résistance et l'énergie de rupture. Il est démontré que la rigidité et la résistance en flexion, ainsi que le processus d'évolution des endommagements des structures sandwiches testées peuvent être correctement simulés par les modèles numériques développés. En plus, les localisations des endommagements obtenue grâce aux modèles numériques concordent bien avec les observations faites par la TIR et l’EA. Par conséquent, la fiabilité du modèle numérique et la faisabilité de la TIR et de l'EA pour identifier les mécanismes d'endommagement des structures sandwichs ont été démontrées. Les résultats obtenus dans ce travail fournissent une base essentielle pour un futur dialogue entre l'analyse expérimentale et numérique des structures sandwichs.

Thanks to the excellent specific stiffness and strength, as well as lower costs, the sandwich structures with composites skins, such as glass fiber reinforced polymer (GFRP)-balsa and carbon fiber reinforced polymer (CFRP)-honeycomb sandwich panels, have attracted more and more attention in marine and aviation industries. Generally, the skins of sandwich structures mainly take the bending load, while the core carries the transverse shear stresses. The objectives of this thesis are to characterize the moisture effects on bending behaviors and damage mechanisms of GFRP-balsa and CFRP-honeycomb sandwich structures under 4-point bending experimentally and numerically, with the help of Acoustic Emission (AE) and InfraRed Thermography (IRT). Firstly, by the preliminary Hsu-Nielsen tests, a new strategy of rapid determination of AE wave propagation velocity in any direction is firstly proposed for most usually used composite sandwich structures, based on the measurements of velocity in only one direction in the composite skin. And then, a new methodology is proposed to predict the elastic modulus of the skin of the wet sandwich structure based on the relationships between Moisture Content (MC), AE wave velocity and elastic modulus. Finally, static 4-point bending tests are monitored by IRT and AE to verify the good consistency between bending stiffness reduction and elastic modulus prediction of the wet sandwich by the new proposed method. A damage characterization approach coupling characteristics of AE amplitude, peak frequency and duration via K-means clustering algorithm is also developed to identify the damage sequence and classify damage modes of sandwich structures under bending loading. In order to predict the bending behaviors of the sandwich structures, numerical models in Abaqus have been developed by introducing the variation of material parameters of the skin due to moisture absorption, such as the elastic modulus, strength and fracture energy. It is demonstrated that the tested bending stiffness, strength and damage evolution process can be correctly simulated by the numerical models. In addition, the damage localizations by numerical models have a good concordance with the observations by IRT and AE. Consequently, the accuracy of the numerical models and the feasibility of AE and IRT to identify damage mechanisms of sandwich structures have been demonstrated. The results lay a critical foundation for the future dialogue between experimental and numerical analysis of sandwich structures.