Présentation
EnglishRÉSUMÉ
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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Christophe BOUVET : Professeur Institut Clément Ader (ICA), ISAE-SUPAERO, Toulouse, France
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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 :
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d’identifier rapidement les techniques expérimentales applicables ;
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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.
MOTS-CLÉS
structures composites taux de restitution d'énergie rupture translaminaire fissure ténacité
DOI (Digital Object Identifier)
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5. Glossaire
Contrainte interlaminaire/intralaminaire ; interlaminar/intralaminar stress
Contrainte entre deux plis consécutifs (interlaminaire) ou au sein d’un pli (intralaminaire).
Courbe R (courbe de résistance) ; R curve (resistance curve)
Courbe, en générale croissante, de la ténacité d’une fissure. Cette augmentation de la ténacité est due à la création de la FPZ.
Cusps (cornes) ; cusps
On utilise généralement directement le terme anglais de cusps pour désigner les aspérités en forme de vagues, ou de cornes, créées sur un faciès de rupture en mode II.
Délaminage ; delamination
Fissuration entre deux plis consécutifs dans un stratifié composite.
Essai CT (Compact Tension)
On utilise directement le terme anglais d’essai CT, et non sa traduction française d’essai de traction compacte, pour désigner l’essai CT. Il s’agit d’un essai consistant à propager une fissure translaminaire dans une plaque en la sollicitant principalement en traction (on peut montrer qu’il y a également de la flexion) afin de mesurer la ténacité en mode I en traction.
Essai CC (Compact Compression)
On utilise directement le terme anglais d’essai CC, et non sa traduction française d’essai de compression compacte, pour désigner l’essai CC. Il s’agit d’un essai consistant à propager une fissure translaminaire dans une plaque en la sollicitant principalement en compression (on peut montrer qu’il y a également de la flexion) afin de mesurer la ténacité en mode I en compression.
Facteur d’intensité des contraintes ; stress intensity factor
Coefficient (en N · m3/2) traduisant la rapidité avec laquelle les contraintes tendent vers l’infini en pointe de fissure ; plus il est grand et plus les contraintes tendent vite vers l’infini.
FPZ (Fracture Process Zone ou zone du processus de rupture)
On utilise généralement directement le terme anglais de FPZ pour caractériser la zone en aval de la pointe de fissure dans laquelle il existe des endommagements importants dus à la présence de la fissure.
JAR25/FAR25 (Joint Airworthiness Requirements § 25/Federal Airworthiness Requirements § 25)
On utilise généralement directement le terme anglais de JAR25/FAR25...
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Glossaire
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...
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 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
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Standard test method for plane strain-strain fracture toughness of metallic materials - 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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