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Theses Year : 2021

Characterisation and Modeling of Interfaces in Laminated Organic Composites at High Temperature. Application to Fire Resistance of Aeronautical Structures

Caractérisation et modélisation des interfaces dans les composites organiques stratifiés à haute température : Application à la tenue au feu des structures aéronautiques

Abstract

Within the framework of the fire resistance of composite materials, it is necessary to assess the degradation of their thermal and mechanical properties due to mass losses, matrix cracking and/or delamination cracks. Nevertheless, few studies in the literature about the temperature resistance of aeronautical composites concern the mechanical behaviour and the rupture of interfaces before any thermal degradation,subject which is the main topic of this work. Thus, the objective is to propose a failure model concerning both the delamination crack initiation and growth under thermomechanical loads. Much of this work has focused on the characterisation of interface properties using an analysis of mode II crack propagation tests for Joule heated specimens. These numerical analyses show that the ply behaviour does not explain the macroscopic pseudo-ductile response observed experimentally. Thus, a test-calculation dialog method, comparing the kinematic fields measured by digital images correlation and those simulated by finite elements, underlines the importance of the viscous behaviour at the interface scale. By a similar FEMU approach the parameters of a cohesive-type fracture law have been identified in temperature and taking into account the different sources of uncertainty. This work highlights the similarity between plane and out-of-plane shearing, both on behaviour and on failure. In parallel, the analysis of temperature resistance tests by laser impact made it possible to establish a crack initiation criterion by a coupled stress and energy approach. A comparison of this criterion with the parameters of the cohesive zone law previously identified makes it possible to discuss about the modeling scale of the interface.
Dans le cadre de la tenue au feu des matériaux composites, il est nécessaire d’évaluer la dégradation de leurs propriétés thermiques et mécaniques due à des pertes de masse, de la fissuration matricielle et/ou des délaminages. Néanmoins, peu d’études dans la littérature sur la tenue en température des composites aéronautiques concernent le comportement mécanique et la rupture des interfaces avant toute dégradation thermique, sujet qui est l’objet principal de ce travail. Ainsi, l’objectif est de proposer un modèle de prévision de rupture concernant tant l’amorçage que la propagation du délaminage pour des chargements thermomécaniques. Ce travail a porté en grande partie sur la caractérisation des propriétés d’interfaces à l’aide d’une analyse d’essais de propagation de fissure en mode II pour des éprouvettes chauffées par effet Joule. Ces analyses numériques montrent que le comportement du pli n’explique pas la réponse macroscopique pseudo-ductile observée expérimentalement. Ainsi, une méthode de dialogue essai-calcul, comparant les champs cinématiques mesurés par corrélation d’images numériques et ceux simulés par éléments finis, souligne l’importance du comportement visqueux à l’échelle de l’interface.C’est par une approche similaire de type FEMU que les paramètres d’une loi de rupture de type cohésif ont été identifiés en température et en tenant compte des différentes sources d’incertitude. Ce travail met en évidence la similitude entre le cisaillement plan et hors plan, tant sur le comportement que sur la rupture. En parallèle, l’analyse d’essais de tenue en température par impact laser a permis d’établir un critère d’amorçage par une approche couplée en contrainte et en énergie. Une confrontation de ce critère aux paramètres de la loi de zone cohésive identifiés précédemment permet de discuter de l’échelle de modélisation de l’interface.
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tel-03184780 , version 1 (29-03-2021)

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  • HAL Id : tel-03184780 , version 1

Cite

Juan Pablo Márquez Costa. Caractérisation et modélisation des interfaces dans les composites organiques stratifiés à haute température : Application à la tenue au feu des structures aéronautiques. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2021. Français. ⟨NNT : 2021ESMA0004⟩. ⟨tel-03184780⟩
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