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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
DOI (Digital Object Identifier)
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Délaminage des interfaces
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3. Mesure du taux de restitution d’énergie critique
3.1 Méthode de la complaisance
Pour déterminer le taux de restitution d’énergie critique d’une fissure G c, il va falloir concevoir un essai qui provoquera sa propagation, et mesurer l’énergie dissipée par cette propagation. Imaginons un tel essai avec un effort F appliqué à un endroit de la structure et le déplacement u résultant au même endroit. Pour calculer le travail appliqué à la structure, il faut s’assurer que seul le travail de cette force F est fourni à la structure, ce qui est en général le cas, car il existe bien d’autres efforts appliqués au niveau des conditions d’encastrement, mais comme dans le même temps les déplacements sont nuls, le travail correspondant le sera aussi. Le travail des forces extérieures, W ext, se réduit donc à l’aire sous la courbe F (u ) [équation (17)] (figure 13 a ) :
( 17 )
Ce travail des forces extérieures, W ext, est représenté en pointillés rouges sur la figure 13 a pour une courbe typique d’un essai de propagation de fissure. Sur cette figure, a représente la longueur de fissure (qui évolue au cours de l’essai en fonction du déplacement imposé, u ) à un instant donné et ua (Fa ) le déplacement (effort) au même instant.
De plus, si l’on suppose que le comportement de la structure est élastique linéaire en l’absence de propagation de la fissure (évidemment si la fissure se propage, la raideur de la structure diminue), et en particulier si l’on décharge la structure, alors la courbe F (u ) sera une droite affine et l’énergie élastique est l’aire sous cette courbe de décharge et correspond donc à l’aire du triangle OuaFa [équation (18)] (aire coloriée en grise sur la figure ...
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Mesure du taux de restitution d’énergie critique
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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