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1 - MÉCANIQUE DE LA RUPTURE DANS LES STRUCTURES COMPOSITES

2 - PHYSIQUE DE LA RUPTURE TRANSLAMINAIRE DANS LES COMPOSITES

3 - TÉNACITÉ EN RUPTURE TRANSLAMINAIRE DANS LES COMPOSITES

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : TRP4044 v1

Conclusion
Mécanique de la rupture de fibres dans les composites stratifiés

Auteur(s) : Christophe BOUVET, Benoit VIEILLE

Relu et validé le 01 oct. 2020

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RÉSUMÉ

Cet article propose une présentation de la mécanique de la rupture appliquée à la rupture translaminaire des composites stratifiés. Ce phénomène est particulièrement important dans le cadre de la certification des structures composites à la tolérance aux dommages. Après un bref rappel des concepts de la mécanique de la rupture, les différents essais expérimentaux caractérisant ces grandeurs seront présentés et commentés. Une revue détaillée des différents endommagements translaminaires sera ensuite effectuée puis quelques valeurs caractéristiques de ténacité à rupture de fibres seront discutées. Enfin la dissipation d’énergie lors du crash, l’énergie spécifique absorbée (SEA), sera abordée.

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ABSTRACT

Fiber Fracture Mechanics of Composite Laminates

This article provides an overview of the fracture mechanics applied to translaminar fracture of composite laminates. This phenomenon is particularly important in the field of the damage tolerance certification of composite structures. After a brief review of the fracture mechanics concepts, the different experimental tests to evaluate these characteristics will be presented and discussed. A detailed presentation of the different translaminar damages will be therefore done then a few characteristic levels of fiber failure toughness will be discussed. Finally the energy dissipated during a crash, the specific energy absorption (SEA), will be addressed.

Auteur(s)

  • Christophe BOUVET : Professeur Institut Clément Ader (ICA), ISAE-SUPAERO, Toulouse, France

  • Benoit VIEILLE : Professeur Groupe de physique des matériaux (GPM) INSA Rouen Normandie, Rouen, France

INTRODUCTION

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés au sein des structures, et en particulier dans les domaines où de bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques (c’est-à-dire la caractéristique mécanique ramenée, ou divisée, par la masse volumique) sont nécessaires. Cela est en particulier vrai dans les domaines des transports, et plus spécifiquement dans l’aéronautique ou le spatial, et de plus en plus dans d’autres domaines tels que l’automobile, le naval ou le ferroviaire. L’un des avantages principaux des matériaux composites est évidemment le poids qui permet d’alléger les structures, et donc de diminuer la consommation de carburant des véhicules et ainsi de diminuer l’impact écologique de nos déplacements.

Cet article se focalise sur la rupture translaminaire des stratifiés composites à matrice polymère renforcée par des fibres longues. Le mode de rupture dépend alors principalement de la séquence d’empilement (ou drapage) du stratifié c’est-à-dire de l’orientation des fibres dans chaque pli. La distribution spatiale des fibres va alors conditionner la capacité du matériau à dissiper l’énergie mécanique lors de la croissance du dommage au sein d’un composite stratifié. Ainsi, les méthodes à mettre en œuvre pour évaluer cette dissipation d’énergie lors de la rupture vont être orientées par la contribution des différents plis à la rupture translaminaire. Selon la configuration rencontrée, l’objectif général est :

  • d’identifier rapidement les techniques expérimentales applicables ;

  • de quantifier les grandeurs matériau intrinsèques à la rupture telles que la ténacité (fonction du mode de rupture), la croissance des fissures, l’évolution du taux de restitution d’énergie.

Dans une première partie seront rappelées les principales notions de mécanique de la rupture permettant d’appréhender le reste de l’article. Il s’agira en particulier de rappeler les notions de modes de rupture, de facteur d’intensité des contraintes, de taux de restitution d’énergie ou de ténacité. Les différents essais expérimentaux permettant de mesurer les ténacités, ainsi que les normes associées, seront également présentés. En pratique, ces méthodes sont basées sur des éprouvettes ayant une géométrie spécifique (fonction du mode de sollicitation : traction, compression, flexion) et un « pré-défaut » (entaille ou trou). L’intérêt d’un pré-défaut usiné dans le matériau est de concentrer les contraintes dans une zone de croissance du dommage qui va permettre de favoriser différents mécanismes d’endommagement dissipatifs.

Dans une deuxième partie les principaux modes d’endommagements dans les structures composites stratifiées seront présentés. Il s’agira en particulier de mieux comprendre quels types de dommages induisent une rupture translaminaire et d’en appréhender toute la complexité. Les mécanismes de rupture translaminaire seront présentés selon le mode de sollicitation (traction, compression, écrasement, cisaillement) avec un éclairage particulier sur les paramètres (nature de la matrice, architecture du renfort...) influençant la dissipation d’énergie mécanique lors de la rupture de fibres.

Enfin, dans la dernière partie, les résultats de différents essais expérimentaux de la mesure de la ténacité seront présentés selon le mode de sollicitation (traction, compression, écrasement, cisaillement). Puis quelques valeurs caractéristiques de ténacité à rupture de fibres sous sollicitation de traction et compression de composites stratifiés structuraux seront discutées, et en particulier le lien existant entre la ténacité d’un pli et celle du stratifié. Enfin la dissipation d’énergie lors du crash, en particulier l’énergie spécifique absorbée (SEA), sera abordée.

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KEYWORDS

composite structures   |   energy release date   |   translaminar failure   |   crack   |   toughness

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-trp4044


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4. Conclusion

Cet article a présenté la mécanique de la rupture appliquée à la rupture translaminaire des structures composites stratifiées. Ce phénomène est particulièrement important dans le cadre de la certification/conception des structures composites à la tolérance aux dommages.

Après un bref rappel des grandeurs caractéristiques de la mécanique de la rupture, et en particulier des taux de restitution d’énergie critiques associés, les différents essais permettant de caractériser ces grandeurs sont décrits de manière critique. Une présentation détaillée des différents endommagements translaminaires a ensuite été proposée selon le type de sollicitation (traction, compression, écrasement et cisaillement). Enfin quelques valeurs caractéristiques de composites stratifiés structuraux sont discutées.

Ce tour d’horizon a permis de montrer que la mécanique de la rupture appliquée aux stratifiés composites était un domaine complexe et encore récent qui doit être abordé avec précaution. Les structures composites sont en effet des matériaux complexes, qui présentent déjà à l’échelle du pli, des caractéristiques de structure. Les endommagements se développant lors d’une rupture translaminaire sont donc complexes et induisent de nombreux dommages secondaires. L’application de la mécanique de la rupture, qui a été principalement développée dans le cadre de matériaux homogènes et isotropes, est donc souvent à la limite de son champ d’application.

Néanmoins, on peut retenir que les ténacités en rupture translaminaire dans les stratifiés composites structuraux classiques sont de l’ordre de 50 à 150 kJ/m2 en traction et de 20 à 80 kJ/m2 en compression ; ces valeurs ne sont évidemment que des ordres de grandeurs et peuvent varier selon le type de matériau étudié. Elles peuvent être mises en parallèle des valeurs de ténacité en rupture de la matrice (fissuration matricielle ou délaminage) des résines polymères comprises entre 0,2 à 3 kJ/m2 ; la rupture translaminaire nécessite évidemment beaucoup plus d’énergie que la rupture matricielle !

La mécanique de la rupture et les modélisations par éléments finis fournissent un cadre très efficace pour modéliser les structures composites à la tolérance aux dommages, mais les caractéristiques mécaniques...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOUVET (C.) -   Dimensionnement des structures composites : applications à l’aéronautique.  -  ISBN : 978-1-78405-348-2, Ed. ISTE (2018).

  • (2) - BERTHELOT (J.M.) -   Matériaux composites : comportement mécanique et analyse des structures.  -  Éditions Technique et documentation (1999).

  • (3) - BOUVET (C.) -   Mechanics of aeronautical composite materials.  -  ISBN : 978-1-78630-114-7, Ed. Wiley-ISTE (2017).

  • (4) - GAY (D.) -   Matériaux composites.  -  Éd. Hermès/Lavoisier (2005).

  • (5) - LAFFAN (M.J.), PINHO (S.T.), ROBINSON (P.), MCMILLAN (A.J.) -   Translaminar fracture toughness testing of composites : a review.  -  Polymer Testing ; 31(3) : p. 481-489 (2012).

  • (6) - ANDERSON (T.L.) -   Fracture...

NORMES

  • Standard test method for mode I interlaminar fracture toughness of unidirectional continuous fiber reinforced composite materials - ASTM D5528-33 - 2013

  • Standard test method for measurement of fracture toughness - ASTM E1820-18 - 2018

  • Standard test method for translaminar fracture toughness of laminated and pultruded polymer matrix composite materials - ASTM E1922-15 - 2015

  • Standard test method for linear-elastic plane strain fracture toughness KIc of metallic materials - ASTM E399-06 - 2006

  • Standard test method for plane strain-strain fracture toughness of metallic materials - ASTM E399-90 - 1997

1 Réglementation

Federal Aviation Administration 25 (FAR25) – Advisory Circular 25.571, Damage tolerance and fatigue evaluation of structure (1978)

Joint Airworthiness Requirements 25 (JAR25) – Part 1 : requirements, Part 2 : acceptable means of compliance and interpretations (for composite structures : JAR25 § 25.603 and ACJ 25.603) (1978)

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