Etude expérimentale et numérique de l'écrasement de stratifiés composites à base de fibres de ...

200 Pages·2014·45.04 MB·French

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(cid:37)(cid:207)(cid:77)(cid:74)(cid:87)(cid:83)(cid:207)(cid:1)(cid:81)(cid:66)(cid:83)(cid:1)(cid:27)
InstitutSupérieurdel’Aéronautiqueetdel’Espace(ISAE)

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HarisAhmadBinISRARAHMAD
le
vendredi21février2014
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(cid:1)
Etudeexpérimentaleetnumériquedel’écrasementdestratifiéscomposites
àbasedefibresdecarbone
ExperimentalandnumericalinvestigationofCFRPcompositelaminates
undercrushing
et discipline ou spécialité
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EDMEGeP:Géniemécanique,mécaniquedesmatériaux
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InstitutClémentAder
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M.Jean-JacquesBARRAU(directeurdethèse)
M.SamuelRIVALLANT(co-directeurdethèse)
Jury:
M.OlivierALLIX,Professeur,ENSCachanPrésident
MmeNadiaBAHLOULI,Professeur,UniversitédeStrasbourgRapporteur
M.LaurentGORNET,MaîtredeConférences,EC-NantesRapporteur
M.Jean-JacquesBARRAU,Professeur,UniversitéPaulSabatierDirecteurdethèse
M.SamuelRIVALLANT,IngénieurChercheur,ISAECo-directeurdethèse

A
cknowledgement

This work is performed at Institut Clement Ader under group research « Matériaux et
Structures Composites » and at Department of Mechanics of Structures and Materials at
Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE) Toulouse. I would like to
thank all those who have contributed directly or indirectly to the completion of this
thesis.

First at all, I would like to express the deepest appreciation to my supervisors
Prof. Jean-Jacques Barrau and Dr. Samuel Rivallant as they always believed in my
abilities and provided whatever advice and resources necessary for me to accomplish
my goals. They spent countless hours meeting with me to discuss various aspects of my
research. This work would not have been possible without their interesting ideas,
guidance and help.

It is an honor for me to have Prof. Olivier Allix as president of jury. I owe my deepest
gratitude to Prof Nadia Bahlouli and Dr. Laurent Gornet for honoring me by evaluating
this work.

A series of experiments conducted during this study would not have been possible
without help from Mr. Marc Chevalier as he helped me learn the use of Hydraulic
Instron Machine and Scanning Electron Microscope. I would like to thank all the Master
AMA students who chose to do their internships related to this study and generated
some valuable experimental results. Especially, Paolo, Nandan and Sudeep are thanked
for their important contributions. Moreover, the guidance and ideas from Prof. Bouvet
and Hakim to improve my works especially in the numerical model are really
appreciated. I am also in debt to Kol. Khairol Amali, Syed Fairus and Norhashimah, for
their helps and supports during the thesis writing.

A special thank goes to Ministry of Higher Education Malaysia for their financial support
throughout my PhD study under Aerospace Scholarship Scheme.

Last but not least, this important milestone of my life would not have been possible
without the precious support from my wife, Ain Zalikha, my little motivator, Hadif and
my family members in Malaysia. Without their sacrifices and patience the ups and
downs of life would have been more difficult.

O
rganisation du manuscrit

Ce rapport de thèse est principalement écrit en anglais.
Les règles en matière de langue de rédaction du mémoire de thèse imposent qu’une partie de
ce rapport soit rédigé en français.
Ainsi, ce mémoire se divise en deux parties.
La première partie est une synthèse des travaux, rédigée en français.
La seconde partie constitue le corps du rapport dans sa forme plus classique, rédigée en
anglais

O
rganization of the manuscript

This PhD thesis is mainly written in English.
The rules regarding the writing language for the thesis require that part of the report is
written in French.
Thus, this thesis is divided into two parts.
The first part is a summary of the work, written in French.
The second part is the body of the report in its most classic form, written in English

E
tude Expérimentale et Numérique de
l’Ecrasement de Stratifiés Composites à Base de
Fibres de Carbone

Synthèse des travaux en français

R
ESUME

L’un des défis de la simulation numérique de la résistance au crash des structures
composites est de pouvoir prédire les endommagements, leur évolution au cours de
l’écrasement et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériau. Le but
de cette étude est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans
l'écrasement de stratifiés de plis unidirectionnels à base de fibres de carbone et de développer
un modèle numérique.
Des essais sont réalisés à différentes échelles (macro, micro), et conduisent à la
définition d'une nouvelle propriété matériau, essentielle : la contrainte moyenne d'écrasement
que peuvent soutenir les plis à 0° ou 90°, et la méthode de caractérisation associée. L’analyse
des tests montre également que pour représenter correctement le comportement du matériau
pendant le crash (évasement, fragmentation...), il est nécessaire de choisir un modèle à
l’échelle méso.
Le modèle éléments finis développé repose sur cinq idées principales : 1-mailler
chaque pli; 2-utiliser des éléments cohésifs pour représenter le délaminage et l’évasement des
plis; 3-pouvoir représenter la rupture des plis en gros fragments; 4-représenter l'écrasement
localisé des plis, à leurs extrémités, par l'introduction d'un concept de « free-face-crushing »,
associé à un critère spécifique basé sur la contrainte moyenne d'écrasement; 5-représenter les
contacts entre plis, plis et socle, plis et débris.
Ce modèle phénoménologique est ensuite appliqué à la simulation du crash de plaques
stratifiées. A partir des propriétés matérielles élémentaires du pli, il permet de prédire la
force, les principaux mécanismes de rupture et la phénoménologie observée lors des
expériences.