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1 - PRINCIPALES MATRICES ET FIBRES UTILISÉES

2 - MÉTHODES DE FABRICATION

3 - CARACTÉRISTIQUES D’UN PLI ÉLÉMENTAIRE

4 - PLAQUES MULTICOUCHES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM5080 v3

Caractéristiques d’un pli élémentaire
Structures en matériaux composites stratifiés

Auteur(s) : Christophe BOUVET, Bruno CASTANIÉ

Date de publication : 10 mai 2024

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RÉSUMÉ

Cet article propose un socle de connaissances des structures composites stratifiées. Les principaux matériaux d'usage sont présentés, ainsi que leurs déclinaisons commerciales et les principaux moyens de mise en œuvre. Les méthodes de prédimensionnement usuelles se basant sur la théorie des stratifiés classiques sont développées : calcul des contraintes dans les plis, critères de rupture associés, flambement, calcul d'assemblages. Les questionnements plus avancés comme l'impact, la fatigue, les endommagements ou le vieillissement sont également abordés.

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Auteur(s)

  • Christophe BOUVET : Professeur - ISAE-Supaéro, Institut Clément Ader, Toulouse, France

  • Bruno CASTANIÉ : Professeur des Universités - INSA Toulouse, Institut Clément Ader, Toulouse, France

INTRODUCTION

Les structures composites sont de plus en plus utilisées dans le domaine aérospatial mais également dans les domaines ferroviaire, naval, automobile et de loisir. La nature de ces matériaux fait qu'ils possèdent une très grande adaptabilité à chaque domaine, il est ainsi possible de choisir pour chaque structure le meilleur compromis coût/poids/tenue mécanique. On a l'habitude de dire qu'en composite « le matériau ne préexiste pas à la structure » et chaque design nécessite donc d'associer la méthode de fabrication la plus adaptée aux contraintes économiques. Il existe une infinité de « composites » qui présentent toutefois tous la particularité de faire cohabiter plusieurs phases ne se mélangeant pas à l'intérieur du matériau. Ainsi, suivant les cas, les propriétés peuvent être pilotées par une phase plutôt que par une autre à l'échelle de la structure. Par exemple, dans le cas d'ensembles fibres plus matrice auxquels nous allons restreindre l'article, si l'on considère un ensemble de fibres unidirectionnelles, c'est-à-dire orientées toutes dans la même direction et assemblées par une résine, on est en présence d'un pli unidirectionnel. Ce matériau présente d'excellentes propriétés en traction dans le sens des fibres, mais dans cette même direction, la résistance en compression est plus faible car le scénario de rupture est piloté par la résine. De plus, ce matériau est :

  • globalement homogène du point de vue macroscopique (pour un volume élémentaire, les caractéristiques macroscopiques sont les mêmes) ;

  • anisotrope (les caractéristiques dépendent de la direction considérée).

Il ne faut pas oublier que ces matériaux ne résistent correctement que dans une seule direction : celle des fibres. S'il existe des sollicitations équivalentes dans les directions x et y, il faudra disposer des fibres dans ces deux directions. Sachant que les fibres orientées suivant l'axe x n'apportent quasiment aucune résistance suivant l'axe y, un matériau comportant 50 % de fibres à 0° et 50 % de fibres à 90° possédera alors des caractéristiques spécifiques deux fois plus faibles que celles du matériau unidirectionnel. S'il existe en plus des efforts à +45° et −45° (cas des sollicitations de cisaillement), il faudra disposer des fibres dans ces directions, et cette fois les caractéristiques spécifiques seront presque divisées par quatre. Lorsque l'on dispose des fibres avec le même pourcentage dans les directions 0°, +45°, −45° et 90°, le matériau résultant a un comportement quasi isotrope dans le plan.

En fait, dans la réalité, les structures sont en général soumises à des efforts très différents suivant les directions et il ne sera donc pas nécessaire de disposer autant de fibres dans les quatre directions 0°, +45°, −45° et 90°. Le travail de l'ingénieur consistera à choisir le drapage optimisé permettant de résister aux sollicitations extérieures. C'est cette optimisation du drapage qui permettra d'obtenir des structures présentant un rapport performance/masse élevé.

Cet article a donc pour objectif de présenter un socle commun de connaissances des structures composites stratifiées, qui doit permettre de comprendre les particularités de leur comportement. Il présente aussi les méthodes de prédimensionnement les plus classiques des jonctions et en flambement.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-bm5080


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3. Caractéristiques d’un pli élémentaire

Un pli unidirectionnel est composé de fibres longues, parallèles entre elles, orientées suivant une seule direction. Par exemple, sur la figure 9 est représenté un UD carbone/époxy typique des applications aéronautiques. Ces fibres sont liées par une résine. Pour pouvoir dimensionner une structure, il est nécessaire de caractériser ce pli en rigidité et en résistance.

Considérons une éprouvette parallélépipédique réalisée avec ce matériau et définissons le repère orthonormé (l, t, z) tel que la direction l soit parallèle à la direction des fibres ou longitudinale (d’où la notation l), t la direction transverse et z la direction hors plan (figure 9). Pour ce matériau, les trois plans perpendiculaires (l, t), (t, z) et (l, z) sont des plans de symétrie. On dit que le matériau est orthotrope, et on appelle repère local du pli le repère (l, t, z).

3.1 Relations contraintes-déformations

Les essais montrent que, quel que soit le chargement, les déformations sont proportionnelles aux efforts (évidemment cela n’est vrai qu’à l’ordre 1 et on observe néanmoins une certaine non-linéarité sur certaines fibres et/ou sous certaines sollicitations). Le matériau présente donc en première approximation un comportement élastique linéaire. Par contre, à la différence d'un matériau isotrope classique (alliage léger, acier), on observe des propriétés différentes suivant les directions considérées. Ce matériau est dit anisotrope.

Nous allons dans une première phase étudier, de manière macroscopique, dans le repère d'orthotropie, le comportement de ce matériau pour les trois sollicitations élémentaires suivantes :

  • traction-compression suivant la direction l,

  • traction-compression suivant la direction t,

  • chargement de cisaillement pur dans le plan (l ,t).

Le cas général est résolu par combinaison linéaire de ces cas de base.

  • Traction-compression simple suivant le sens longitudinal l

    Sous l'effet d'une sollicitation de traction simple générant une...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BARRAU (J.-J.), LAROZE (S.) -   Calcul des structures en matériaux composites.  -  Eyrolles et Masson (1987).

  • (2) - GAY (D.) -   Matériaux composites.  -  Hermes/lavoisier (2005).

  • (3) - BOUVET (C.) -   Dimensionnement des structures composites : applications à l’aéronautique.  -  ISTE https://iste-editions.fr/products/dimensionnement-des-structures-composites (2018).

  • (4) - BATHIAS (C.) -   Matériaux composites.  -  Dunod, l’Usine Nouvelle (2013).

  • (5) - BERTHELOT (J.M.) -   Matériaux composites : comportement mécanique et analyse des structures.  -  Éditions Technique et documentation (1999).

  • (6) - KASSAPOGLOU (C.) -   Design and analysis of composite structures.  -  Wiley...

NORMES

  • Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Bars, ASTM International. - ASTM D7205 - (2023)

  • Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials, ASTM International. - ASTM D3479 - (2023)

  • Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading, ASTM International. - ASTM D3410 - (2021)

  • Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ± 45° Laminate, ASTM International. - ASTM D3518 - (2018)

  • Standard Test Method for Compressive Properties of Unidirectional Polymer Matrix Composite Materials Using a Sandwich Beam, ASTM International. - ASTM D5467 - (2017)

  • Standard Test Method for Open-Hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates, ASTM International. - ASTM D5766 - (2023)

1 Revues scientifiques

Composite Sciences and Technolology (Elsevier)

Composite Part A : Applied Science and Manufacturing (Elsevier)

Composite Part B : Engineering (Elsevier)

Composite Part C : Open Access (Elsevier)

Composite Structures (Elsevier)

Applied Composite Materials (Springer)

Journal of Composite Materials (Sage Publications)

HAUT DE PAGE

2 Événements

Salon : JEC Composites

http://www.jeccomposites.com

Congrès : Journées Nationales sur les Composites, tous les 2 ans, AMAC

http://www.amac-composites.org

Journées Nationales sur les Composites, JNC, tous les 2 ans

https://jnc23.sciencesconf.org/

International Conference on Composite Structures, ICCS, tous les 2 ans

https://events.unibo.it/iccs

International Conference on Composite Materials, ICCM, tous les 2 ans

http://www.iccm-central.org

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