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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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Bases de la mécanique de la rupture
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1. Origine des fissures dans les structures composites
L’utilisation croissante des matériaux composites dans les structures ne se dément pas depuis maintenant de nombreuses années. Leur bon rapport performance/masse en fait en effet un candidat particulièrement intéressant pour l’allègement des structures, et c’est donc tout naturellement que les matériaux composites sont maintenant les matériaux les plus utilisés dans bon nombre de structures aéronautiques (figure 1).
La conception d’une structure composite est néanmoins plus complexe que la conception d’une structure métallique car le composite est fait sur mesure pour la structure étudiée. On a coutume de dire que « le matériau ne préexiste pas à la structure ». Par exemple, si l’on considère un matériau composite formé de plis stratifiés (figure 2), c’est-à-dire des plis composés de fibres et de résine empilés les uns sur les autres dans différentes directions (figure 3) ; le nombre, la direction et la nature des plis dépendront des sollicitations mécaniques dans chaque zone de la structure. On mettra évidemment plus de fibres dans les directions des efforts principaux et dans les zones où les efforts sont plus importants.
Concevoir une structure composite nécessitera donc de concevoir la géométrie de la structure, mais également le matériau composite correspondant. Pour ce faire, l’ingénieur a donc besoin d’une modélisation des efforts partout dans la structure (en utilisant la plupart du temps un modèle par éléments finis ...
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Origine des fissures dans les structures composites
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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