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Thèse Année : 2022

Prediction of low-velocity/low-energy impact damage in the latest generation of carbon-epoxy laminated composites

Prévision des endommagements induits par un impact basse vitesse/basse énergie au sein de matériaux composites stratifiés carbone-epoxy de dernière génération

Résumé

In aeronautics, laminated composites are now widely used for the manufacture of primary structures, such as wings and fuselages. These structures must be tolerant to impact damage as many impact threats are possible during the life cycle of the aircraft. The certification of these structures is based on lengthy and costly experimental test campaigns due to the use of phenomenological criteria for sizing in the industry. Therefore, this work consists of an experimental and numerical study on the behavior and strength of a new generation of carbon/epoxy composite materials with reinforced interface subjected to a lowvelocity/low-energy impact. The main objective of this work is to develop a robust model capable of predicting the response of laminated composites under impact, based on accurate experimental observations. Experimental tests on laminated plates have been carried out with advanced instrumentation methods (such as infrared thermography and digital image correlation associated with fast cameras) to follow the evolution of damage in real time. In addition, non-destructive 3D evaluation methods (X-ray tomography, ultrasonic scanning) have been performed to evaluate and understand the damage mechanisms in this specific material. In parallel, an impact model has been developed and consists in a 3D finite element model using an implicit solver, which takes into account contacts (impactor/composite and set-up/composite), geometrical nonlinearity, transverse cracking thanks to a continuum damage model, delamination using cohesive elements and fibre failure considering a phase-field approach. A special attention has been paid to the couplings between the different damage and failure mechanisms, which have been clearly experimentally observed.
En aéronautique, les composites stratifiés sont aujourd’hui largement utilisés pour la fabrication de structures primaires, telles que les ailes et les fuselages. Ces structures doivent être tolérantes aux dommages d’impact car de nombreuses menaces en vitesse sont possibles durant le cycle de vie de l’aéronef. La certification de ces structures est basé sur des campagnes d’essais expérimentales longues et coûteuses en raison de l’utilisation de critères phénoménologiques pour le dimensionnement dans l’industrie. Par conséquent, ce travail consiste en une étude expérimentale et numérique du comportement et de la résistance d’une nouvelle génération de matériaux composites carbone/époxy avec une interface renforcée soumis à un impact faible vitesse/faible énergie. L’objectif principal de ces travaux porte sur le développement d’un modèle robuste capable de prévoir la réponse de composites stratifiés sous impact, en se basant sur des observations expérimentales précises. Des essais expérimentaux sur des plaques stratifiées ont été réalisés avec des méthodes d’instrumentation avancées (telles que la thermographie infrarouge et la corrélation d’images numériques associées à des caméras rapides) pour suivre l’évolution des endommagements en temps réels. De plus, des méthodes d’évaluation non destructives en 3D (tomographie à rayons X, balayage ultrasonique) ont été réalisées afin d’évaluer et de comprendre les mécanismes d’endommagement dans ce matériau spécifique. En parallèle, un modèle éléments finis 3D d’impact à solveur implicite a été développé et prend en compte les contacts (impacteur/composite et montage/composite), la non-linéarité géométrique, la fissuration transverse à l’aide d’un modèle d’endommagement continu, le délaminage en utilisant des éléments cohésifs et la rupture des fibres en considérant une approche de type champ de phase. Une attention particulière a été accordée aux couplages entre les différents mécanismes d’endommagement et de rupture, qui ont été observés expérimentalement.
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Dates et versions

tel-03945763 , version 1 (18-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03945763 , version 1

Citer

Salim Chaibi. Prediction of low-velocity/low-energy impact damage in the latest generation of carbon-epoxy laminated composites. Physics [physics]. Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE-SUPAERO), 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03945763⟩
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