Article de référence | Réf : AM5322 v1

Conclusion
Vieillissement des composites à matrice organique - Outils de modélisation

Auteur(s) : Marco GIGLIOTTI, Jean-Claude GRANDIDIER, Marie Christine LAFARIE-FRENOT

Relu et validé le 28 oct. 2019

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RÉSUMÉ

Cet article présente une revue détaillée des aspects phénoménologiques du vieillissement des matériaux composites à matrice organique, abordée à travers la présentation d'observations expérimentales, résultats de mesures et simulations numériques. Il se focalise tout d'abord sur la modélisation du vieillissement, pour se consacrer ensuite à la présentation d'un certain nombre d'exemples et cas d'études concernant les couplages thermomécanique, diffuso-mécanique, thermo-chimico-mécanique qui apparaissent lors du vieillissement (thermomécanique, humide et thermo-oxydant) de matériaux composites pour applications aéronautiques et aérospatiales.

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ABSTRACT

Ageing of organic composite materials Modelling tools

This manuscript ? in two parts - includes a detailed review of the phenomenological aspects of composites ageing addressed through the presentation of experimental observations, measurement results and numerical simulations. The first part presents the modelling of ageing in composite materials, the second part focuses on the presentation of some examples and case studies concerning thermo-mechanical, diffuse-mechanical and thermo-chemo-mechanical couplings taking place during ageing of composite materials for aircraft and aerospace applications.

Auteur(s)

  • Marco GIGLIOTTI : Ingénieur de l'Université de Pise (Italie) - Docteur en Mécanique du Solide de l'École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne - Maître de Conférences (HDR), Université de Poitiers et ISAE-ENSMA Poitiers

  • Jean-Claude GRANDIDIER : Docteur en Mécanique de l'Université de Metz - Professeur, ISAE-ENSMA Poitiers

  • Marie Christine LAFARIE-FRENOT : Docteur ès Sciences Physiques de l'Université de Poitiers - Professeur, Université de Poitiers et ISAE-ENSMA Poitiers

INTRODUCTION

L'emploi de matériaux composites à matrice organique (CMO) pour la réalisation de structures aéronautiques permet un gain de masse entre 25 % et 30 % par rapport à des solutions plus classiques (alliages d'aluminium) ; cependant, aujourd'hui, dans l'aviation civile, la masse de structures composites ne représente que 20 % environ de la masse totale. En effet, ces matériaux ont de très bonnes propriétés spécifiques, résistance et rigidité, et une exceptionnelle résistance en fatigue dans des conditions environnementales 'standard', mais leurs performances se dégradent en présence d'environnements agressifs, suite à l'apparition de phénomènes de vieillissement. Pour ces raisons, l'intégration des CMO dans des structures confrontées à des environnements agressifs demeure difficile car le problème de leur durabilité se pose. Le vieillissement des CMO résulte de l'action combinée de la température, de l'humidité, et de la pression de l'environnement gazeux, mais aussi des conditions de leur mise en œuvre (type de procédé, cycle de cuisson induisant des contraintes résiduelles) et de la structure du matériau ; il correspond à une évolution souvent irréversible des propriétés du matériau et son étude nécessite des approches complexes.

Par exemple, les pièces structurales d'un futur avion supersonique (envisagé pour l'horizon 2020-2030) seront soumises à des sollicitations hygro-thermo-mécaniques cycliques assez importantes : les phénomènes de désorption d'humidité à hautes températures et les successifs passages à basses températures peuvent favoriser l'amorçage et la propagation de l'endommagement. Dans les premiers étages de turboréacteurs (structures 'tièdes'), les températures en jeu sont de l'ordre de 120 °C-190 °C et la présence de l'oxygène dans le milieu environnant induit des processus de thermo-oxydation des matrices organiques conduisant à de sévères phénomènes de dégradation et une diminution significative de la durée de vie.

La maîtrise des phénomènes de dégradation associés à ces conditions d'utilisation nécessite la mise en place d'approches multiphysiques et multi-échelles, à la fois expérimentales et théoriques, et soulève des questions scientifiques, outre que technologiques, de grande ampleur et complexité.

Cet article se focalise sur la durabilité et le vieillissement de matériaux composites pour applications aéronautiques, dans le but de présenter des méthodologies de caractérisation et de modélisation à la fois simples et pertinentes, immédiatement exploitables pour la compréhension des phénomènes physiques, l'identification, la simulation et l'optimisation de cas réels. Dans un premier temps sont présentés le contexte, une synthèse bibliographique concernant les phénomènes de vieillissement qui intéressent les matériaux composites à matrice organique ainsi qu'une revue des principaux outils de modélisation existants pour leur prédiction et interprétation. Vient ensuite le cadre mécanique/thermodynamique dans lequel la modélisation du vieillissement des matériaux composites a été développée pour permettre l'interprétation des observations schématiquement décrites et aborder leur simulation. L'objet de cette partie n'est pas l'exhaustivité mais la présentation de l'outil conceptuel commun aux modèles développés.

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KEYWORDS

state of art   |   modelling tools   |   ageing of composite   |   multi-physical ant multi-scale couplings   |   mechanical engineering   |   transportation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am5322


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3. Conclusion

Dans cet article, la modélisation des mélanges de milieux continus a été présentée en faisant recours à la thermodynamique des processus irréversibles : les avantages, les limites et les inconvénients de cette approche ont été également discutés, en mentionnant un certain nombre de modèles alternatifs.

Cette modélisation – après une spécialisation opportune – est capable de rendre compte du comportement de mélanges de fluides (gaz parfaits), de mélanges fluide/solide (gaz ou espèces chimiques diffusant au sein de matériaux solides, polymères ou autre), de mélanges solide/solide (matrices à l'état vitreux/renfort fibreux). Le comportement du pli composite peut être abordé en ayant recours à ce type de modélisation ; le stratifié composite peut être ensuite modélisé en utilisant la théorie des plaques multicouches.

Les modèles développés sont spécialisés et appliqués aux différentes formes de vieillissement discutées dans l'article suivant [AM5323]. Ils sont utilisés pour interpréter les résultats des observations et des mesures et pour en identifier les paramètres essentiels. En même temps, cette synthèse permet de présenter une notation unique et une base théorique assez complète des développements de l'article [AM5323].

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FAYOLLE (B.), VERDU (J.) -   Vieillissement physique des matériaux polymères  -  . Techniques de l'Ingénieur, [AM3150] 2005.

  • (2) - MORTAIGNE (B.) -   Vieillissement des composites. Mécanismes et méthodologie d'étude  -  . Techniques de l'Ingénieur, [AM5320] 2005.

  • (3) -   *  -  http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/durabilite_2075

  • (4) - GATES (T.S.) -   Durability Assessment of Polymeric Composites for High Speed Civil Transport  -  . Proceedings of DURACOSYS 99, Ed. A. Cardon, Bruxelles, Belgique (1999).

  • (5) - MORTAIGNE (B.) -   Vieillissement des composites. Évolution des propriétés et modélisation  -  . Techniques de l'Ingénieur, [COR113].

  • (6) - VILLAGGIO (P.) -   Mathematical Models for Elastic Structures  -  Cambridge...

1 Événements

DURACOSYS – DURAbility of Composite SYStems – Série de conférences internationales sur la durabilité des matériaux et des systèmes composites

ICCM – International Conference on Composite Materials – Série de conférences internationales sur les matériaux composites

ECCM – European Conference on Composite Materials – Série de conférences internationales sur les matériaux composites

ICEM – International Conference on Experimental Mechanics – Série de conférences internationales sur les techniques et les méthodes expérimentales

JNC – Journées Nationales sur les Composites – Série de conférences nationales sur les matériaux composites

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2 Normes et standards

Normes sur la durabilité des matériaux composites

FAR 25.613, “Material Strength Properties”

FAR 25.615, “Design Properties”

FAA AC 20-107A

JAR 25.613, 25.615, et 25.603 similaires aux normes FAA

FAR 25.603, “Materials”

FAR 25.605, “Fabrication Methods”

FAR 25.609, “Protection of Structure”

JAR 25 603 25 605 and 25 609 similaires aux normes FAA

FAA AC 20-107A, “Composite Aircraft Structure”

FAA AC 21-26, “Quality Control for the Manufacture of Composite Structure”

JAA ACJ 25.603, “Composite Aircraft Structure”

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