Study on failure mechanisms of tufted composite laminates under tensile loading

Résumé

Les matériaux composites en polymère renforcé de fibres (FRP) multicouches sont connus pour leur excellente rigidité et résistance dans le plan, mais ils présentent une faiblesse en matière de délamination, en particulier dans des conditions de charge de traction transversale. Pour remédier à ce problème, des techniques de renforcement dans l'épaisseur des composites par des touffes peuvent être utilisées pour améliorer la résistance à la délamination des composites multicouches. Les techniques de touffetage ont gagné en popularité parmi les ingénieurs en raison de leur capacité à améliorer à la fois les propriétés dans le plan et hors plan à un coût inférieur par rapport à d'autres techniques de renforcement en travers (TTR). L'objectif initial de cette étude est la production de stratifiés tuftés, en tenant compte de différentes géométries de touffetage et de séquences de stratifiés avec un film de décollement complet placé dans la couche intermédiaire des stratifiés. Pour analyser l'impact des boucles de touffetage sur le comportement des stratifiés sous tension, deux types de stratifiés sont fabriqués : des stratifiés sans boucles et des stratifiés avec boucles contenant une seule touffe. Les stratifiés sans boucles sont créés en fraisant les stratifiés avec boucles. De plus, cette étude utilise deux séquences de stratifiés quasi-isotropes et orthotropes pour étudier comment le stratifié préformé affecte le mécanisme de défaillance des stratifiés touffetés exposés à une charge hors plan. Pour acquérir une compréhension plus approfondie des modes de rupture présentés dans les laminés touffetés avec différentes géométries de touffes et séquences de stratification, la technique de CT-scan est utilisée de manière progressive pendant la sollicitation en traction. Cette technique met en évidence une observation et une analyse détaillées des dommages internes et des modes de défaillance des stratifiés à différents déplacements de traction. Après avoir analysé les courbes de force-séparation et les surfaces de rupture, il a été constaté que, pour des séquences constantes, la géométrie de touffe sans boucle échoue en raison de l'arrachement des touffes et possède une énergie de rupture plus élevée par rapport à la géométrie standard (avec boucle). Néanmoins, les stratifiés avec boucles démontrent une charge ultime plus élevée que ceux sans boucle. Selon les courbes de force-séparation, la touffe présente un comportement plus fragile dans le stratifié quasi-isotrope que dans le stratifié orthotrope. Indépendamment de la géométrie de la touffe, le passage des séquences de stratification orthotropes à quasi-isotropes entraîne une augmentation de 60% de la charge ultime et une réduction de 62% de l'énergie de rupture. L'analyse CT-scan indique que les modes de défaillance primaires pendant le régime linéaire sont le déliantage inter-fibre et la rupture de l'interface. Cependant, pendant le régime plastique, la défaillance de l'interface, la rupture de touffe, la défaillance de touffe et l'arrachement sont observés. La quantité de résine entourant une touffe peut avoir un impact considérable sur ses propriétés sous charge de traction. S'il y a une quantité limitée de résine entourant la touffe et que la touffe est fermement collée au stratifié, alors une défaillance de la touffe au niveau du plan médian est susceptible de se produire. À l'inverse, une plus grande quantité de résine entourant la touffe tend à favoriser l'arrachement des fibres qui composent la touffe. Enfin, un outil de modélisation microscopique de dommages en 3D fiable a été développé dans Abaqus pour prédire les modes de défaillance des composites orthotropes touffetés. Les critères de dommage Hashin pour la touffe et la réponse élastoplastique de l'interface au renfort sont intégrés dans la modélisation en utilisant l'outil de plasticité d'Abaqus et la méthode du champ défini par l'utilisateur (USDFLD). Malgré un problème de convergence qui empêche l'analyse non linéaire d'atteindre une défaillance complète, il a été observé que les propriétés des matériaux sélectionnés et les outils utilisés ont démontré une grande efficacité pour simuler de façon précise le comportement d'un composite touffeté lors de la phase initiale d'un test de traction.

Date	31 août 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Simon Joncas (Directeur(-trice))