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Présentation
En anglais
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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This article provides an overview of the fracture mechanics applied to composite laminates. Composite being brittle material, cracks can occur, in particular delamination, in specific zones such as free edge, hole edge, ply drop off or when they are subjected to impact loading. After a brief overview of the fracture mechanics applied to composite, delamination, and in particular the associated critical energy release rate is presented, as well as effect of different parameters such as direction of adjacent plies, compressive out-of-plane stress or solicitation speed. Finally a discussion of the coupling between matrix cracking and delamination is conducted.
Auteur(s)
-
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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KEYWORDS
fracture mechanics | composite material | delamination | energy release date
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6. 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.
Énergie de déformation élastique ; elastic strain energy
Énergie due aux déformations/contraintes élastiques d’un matériau ou d’un ressort.
Essai DCB (Double Cantilever Beam test )
On utilise directement le terme anglais de DCB, et non sa traduction française de poutre double en porte-à-faux, pour désigner l’essai DCB. Il s’agit d’un essai consistant à propager une fissure en tirant sur les deux bras d’une double poutre afin de mesurer la ténacité en mode I.
Essai ENF (End Notched Flexure test )
On utilise directement le terme anglais d’ENF, et non sa traduction française de flexion d’une éprouvette entaillée, pour désigner l’essai ENF. Il s’agit d’un essai consistant à propager une fissure dans une poutre en la sollicitant en flexion afin de mesurer la ténacité en mode II.
Essai MMB (Mixed Mode Bending test )
On utilise directement le terme anglais de MMB, et non sa traduction française d’essai de flexion en mode mixte, pour désigner l’essai MMB. Il s’agit d’un essai consistant à propager une fissure dans une poutre en la sollicitant en flexion afin de mesurer la ténacité en mode mixte I et II. Cet essai diffère de l’essai MMF de par la position des points d’application des efforts.
Essai MMF (Mixed Mode Flexure test )
On utilise directement le terme anglais de MMF, et non sa traduction française d’essai de flexion en mode mixte,...
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Glossaire
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
-
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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