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RÉSUMÉ
La mécanique de la rupture appliquée aux composites stratifiés est ici présentée. Les composites étant fragile, il peut apparaître des fissures, en particulier des délaminages, dans des zones particulières telles que les bords libres, les reprises de plis ou lorsqu’ils sont soumis aux impacts. Après une rapide présentation de la mécanique de la rupture appliquée aux composites, le délaminage, et en particulier le taux de restitution d’énergie critique est présenté, ainsi que l’effet de différents paramètres tels que la direction des plis adjacents, la contrainte de compression ou la vitesse de sollicitation. Enfin une discussion sur le couplage entre la fissuration matricielle et le délaminage est menée.
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Christophe BOUVET : Professeur - ISAE-SUPAERO, Institut Clément Ader, Toulouse, France
INTRODUCTION
La mécanique de la rupture permet d’étudier le comportement d’une fissure dans un matériau ou une structure, et en particulier de mettre en place des critères de propagation, ou de non-propagation. Pour mettre en place ces critères de propagation, il est nécessaire d’introduire la notion de ténacité, et en particulier le taux de restitution d’énergie critique, caractérisant la capacité d’un matériau à résister à l’avancement d’une fissure. Cette notion de ténacité est fondamentale pour le dimensionnement des structures, et en particulier pour leur dimensionnement à la tolérance aux dommages, c’est-à-dire pour le dimensionnement d’une structure présentant déjà un dommage, ce qui est en général le cas pour les structures composites.
La mécanique de la rupture a été introduite dans les années 1920 par A.A. Griffith et largement reformulée et précisée par G.R. Irwin dans les années 1950 pour les matériaux métalliques isotropes homogènes. Elle a maintenant largement fait ses preuves et est couramment utilisée dans l’industrie. Son application aux structures composites stratifiées reste néanmoins un domaine complexe et relativement récent qui implique une nécessaire prudence, en raison de leur caractère fortement anisotrope et hétérogène. Les structures composites sont en effet des matériaux complexes, qui présentent déjà à l’échelle du pli élémentaire, des caractéristiques de structure. En particulier, les ténacités associées aux différents modes de rupture des composites (par exemple le délaminage) dépendent d’un grand nombre de paramètres : géométrie, type et orientation des plis inférieurs et supérieurs, vitesse de sollicitation, sollicitation en compression. La compréhension physique de ces mécanismes de rupture est nécessaire pour aborder la modélisation numérique de ce type d’endommagement.
Cet article présente la mécanique de la rupture appliquée aux composites stratifiés. Les composites étant fragile, il peut apparaître des fissures, en particulier des délaminages, dans des zones particulières telles que les bords libres, les reprises de plis ou lorsqu’ils sont soumis aux impacts. Après une rapide présentation de la mécanique de la rupture appliquée aux composites, le délaminage, et en particulier le taux de restitution d’énergie critique, est présenté, ainsi que l’effet de différents paramètres tels que la direction des plis adjacents, la contrainte de compression ou la vitesse de sollicitation. Enfin une discussion sur le couplage entre la fissuration matricielle et le délaminage est menée.
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Conclusion
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4. Délaminage des interfaces
4.1 Physique de la propagation en mode I et en mode II
Maintenant que nous avons vu comment mesurer le taux de restitution d’énergie critique en mode I et en mode II, nous allons essayer de comprendre pourquoi ces deux valeurs sont si différentes. En effet, si l’on regarde par exemple quelques valeurs typiques de composites, on observe que la ténacité en mode II est toujours supérieure à celle en mode I et jusqu’à 2 à 3 fois supérieure (tableau 1).
Cette différence importante entre le mode I et le mode II s’explique en grande partie par le type de rupture (figures 22 et 12 b ) et par le faciès de rupture ; alors que le faciès de rupture en mode I est globalement lisse, celui en mode II est beaucoup plus tourmenté (figures 22 et 23).
Si l’on observe de plus près un faciès de rupture en mode I (figure 23 a ), on observe une surface globalement lisse avec des rivières dues à la rupture des interfaces fibre/matrice, alors que si l’on observe de plus près un faciès de rupture en mode II (figure 23 b ), on observe des sortes de cornes ou de vagues (figure 24), que l’on désigne en général par le terme anglais « cusps » (signifiant corne).
En voyant ces cusps, on comprend aisément que le mode II dissipe plus d’énergie que le mode I, car il est évidemment plus compliqué de créer ce type de surface. Ces cusps s’expliquent par le mécanisme de création de la fissure en mode II et par le caractère fragile des résines thermodurcissables (dont l’époxy est une des...
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Délaminage des interfaces
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOUVET (C.) - Dimensionnement des structures composites : applications à l’aéronautique. - ISBN : 978-1-78405-348-2, éd. 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) - EVE (O.) - Étude du comportement des structures composites endommagées par un impact basse vitesse-applications aux structures aéronautiques. - Thèse de doctorat, université de Metz (1999).
-
(6) - MASTERS (J.E.) - Basic...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Standard test method for mode I interlaminar fracture toughness of unidirectional continuous fiber reinforced composite materials, ASTM International - ASTM D5528-33 - 2013
-
Standard test method for plane strain-strain fracture toughness of metallic materials, ASTM International - ASTM E399-90 - 1997
ANNEXES
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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