Endommagement par fatigue et durée de vie de structures en matériaux composites à fibres continues pour application liaison au sol PDF Download
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Author: Rim Ben Toumi
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Book Description
L'allègement des véhicules est un enjeu majeur de l'industrie automobile pour participer, avec l'évolution des motorisations, à la maîtrise des consommations énergétiques et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce travail, nous nous intéressons à l'introduction des matériaux composites dans les pièces de structure et particulièrement dans le périmètre de la liaison au sol composé d'organes de sécurité active, sujets au phénomène de fatigue multi axiale à grand nombre de cycles.Les matériaux composites présentent une solution séduisante en raison de leurs propriétés mécaniques intéressantes combinées à une faible densité. Toutefois, la fatigue des matériaux composites reste un sujet complexe relativement peu abordé. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse qui vise à mettre en place une méthodologie de dimensionnement des composants automobiles de structure, à partir d'un composite tissé verre/époxy. Cette méthodologie s'attache à être facile d'utilisation et adaptable au calcul de structure pour être applicable en Bureau d'Études. La première étape de cette étude est la caractérisation de la tenue en service du matériau sous chargements monotones et cycliques et l'identification des cinétiques d'endommagement. Au vu des résultats expérimentaux obtenus et à partir des approches de dimensionnement existantes, un critère de fatigue multi axiale est proposé. Ensuite, une optimisation du protocole d'identification des paramètres est effectuée afin de réduire au minimum le volume des campagnes d'essais. Enfin, le critère mis en place pour évaluer la durée de vie en fatigue du matériau composite tissé est validé sur des éprouvettes trouées et sur le train avant à lame composite.
Author: Rim Ben Toumi
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Book Description
L'allègement des véhicules est un enjeu majeur de l'industrie automobile pour participer, avec l'évolution des motorisations, à la maîtrise des consommations énergétiques et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce travail, nous nous intéressons à l'introduction des matériaux composites dans les pièces de structure et particulièrement dans le périmètre de la liaison au sol composé d'organes de sécurité active, sujets au phénomène de fatigue multi axiale à grand nombre de cycles.Les matériaux composites présentent une solution séduisante en raison de leurs propriétés mécaniques intéressantes combinées à une faible densité. Toutefois, la fatigue des matériaux composites reste un sujet complexe relativement peu abordé. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse qui vise à mettre en place une méthodologie de dimensionnement des composants automobiles de structure, à partir d'un composite tissé verre/époxy. Cette méthodologie s'attache à être facile d'utilisation et adaptable au calcul de structure pour être applicable en Bureau d'Études. La première étape de cette étude est la caractérisation de la tenue en service du matériau sous chargements monotones et cycliques et l'identification des cinétiques d'endommagement. Au vu des résultats expérimentaux obtenus et à partir des approches de dimensionnement existantes, un critère de fatigue multi axiale est proposé. Ensuite, une optimisation du protocole d'identification des paramètres est effectuée afin de réduire au minimum le volume des campagnes d'essais. Enfin, le critère mis en place pour évaluer la durée de vie en fatigue du matériau composite tissé est validé sur des éprouvettes trouées et sur le train avant à lame composite.
Author: Emilie Duboquet
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Languages : fr
Pages : 289
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Le concept de fatigue mécanique au sens originel fait référence au niveau structural et opère donc sur les structures, c'est-à-dire dans le cadre de la Mécanique de la Rupture. Les modèles construits doivent donc réaliser leur identification sur une structure : changer la structure, change donc le modèle et donc l'identification du modèle. L'emploi d'une Mécanique qui traite toujours les problèmes d'endommagement mais dans un cadre plus local est donc forcément judicieux : la Mécanique de l'Endommagement est une bonne candidate. Les modèles de comportements endommageables construits dans ce cadre ne nécessitent qu'une unique identification à l'échelle du VER et sont utilisables dans n'importe quelle géométrie structurale. Cette voie a été évidemment prise depuis longtemps. Toutefois, on y rencontre souvent des incohérences. Par exemple, le compteur de cycles de la sollicitation appliquée à la structure se retrouve gouverner la loi d'évolution des phénomènes d'endommagement au niveau local. Pourtant, il n'y a aucune raison objective qui puisse justifier cela sans précaution, et c'est parfois parfaitement faux. Il s'agit dans cette étude de faire rentrer rigoureusement le concept de fatigue mécanique dans le cadre local de la Mécanique de l'Endommagement et de réaliser une approche locale de la fatigue. Le but ultime est de réaliser des calculs de structure sous sollicitations de fatigue avec la même exigence de validité que des calculs de structure sous sollicitations quasi-statiques.En tout premier lieu, la mise en évidence des carences de l'existant démontre qu'à l'heure actuelle rien ne permet de réaliser un calcul de structure en fatigue, utilisant la Mécanique de l'Endommagement, dans des conditions parfaitement satisfaisantes.C'est la raison pour laquelle, en second lieu, la notion de problème de fatigue est formalisée Cette formalisation est à la base d'un cadre que l'on estime propice à l'écriture d'une approche locale de la fatigue.Le souhait délibéré de ne pas construire des lois de fatigue incrémentales mais des lois gouvernées par un compteur de sollicitations et surtout déduites de lois d'évolution écrites en quasi-statique, oblige à des règles de linéarisation, puis à l'énoncé précis d'une démarche.En utilisant des cas particuliers de problèmes de fatigue et en appliquant la démarche énoncée, l'écriture rigoureuse et l'identification d'un modèle d'endommagement en fatigue pour le phénomène de fissuration intralaminaire présent dans les composites à fibres continues est réalisée. Les lois locales de fatigue écrites sont mises en place dans un processus de calcul de structure sous sollicitation de fatigue. On constate, pour ces cas particulier de matériaux et de phénomène d'endommagement, qu'avec la démarche mise en place, la résolution des problèmes de calcul de structure en fatigue peut être réalisée avec la même aisance que la résolution des problèmes de calcul de structure sous sollicitations quasi-statiques.Ce travail pose des bases très générales pour une approche nouvelle de la fatigue des structures. Il clarifie le concept de fatigue en le faisant rentrer dans un cadre très structurédans le but de mener à bien une approche locale de la fatigue, en vue d'une utilisation dans des calculs de structure en fatigue. Il a été utilisé avec succès dans une configuration particulière. Pourtant, pour l'heure, il est difficile de dire s'il va permettre une approche locale de la fatigue pour tous les phénomènes, tous les matériaux et pour les cas les plus généraux de sollicitations. Cette étude n'a pas pour ambition d'amener une réponse à tous ces cas mais d'être une voie ouverte à la résolution d'autres cas, voire à une généralisation sans condition, d'une approche locale de la fatigue.
Author: Damien Caous
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Languages : fr
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L'objet de cette thèse est de proposer et d'identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l'échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l'évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l'étude les mécanismes d'endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d'endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d'endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d'endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul EF.
Author: MONSSEF.. DRISSI HABTI
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Languages : fr
Pages : 95
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LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE CERAMIQUE RENFORCEE PAR DES FIBRES CONTINUES SONT DEVELOPPES POUR DES APPLICATIONS THERMOSTRUCTURALES. L'ETUDE DU COMPORTEMENT MECANIQUE VISE D'UNE PART A PROPOSER DES METHODES FIABLES DE DETERMINATION DES PARAMETRES MICROMECANIQUES QUI PERMETTENT L'EVALUATION DES DIFFERENTES NUANCES DU MATERIAU AU COURS DE SA PHASE DE DEVELOPPEMENT. D'AUTRE PART, ELLE A POUR OBJET LA COMPREHENSION DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT OU DE RUPTURE EN RELATION AVEC LA SOLLICITATION MECANIQUE. DANS CE MEMOIRE, NOUS AVONS PROCEDE PAR DES ESSAIS QUASI-STATIQUES EN TRACTION UNIAXIALE COUPLES A LA TECHNIQUE D'EMISSION ACOUSTIQUE POUR IDENTIFIER LES MICROMECANISMES D'ENDOMMAGEMENT ET LEUR SEQUENCE DE DECLENCHEMENT EN FONCTION DE LA CONTRAINTE DANS LE CAS DES MATERIAUX SIC-MAS.L UNIDIRECTIONNEL ET BIDIRECTIONNEL A PLIS CROISES. LE DEVELOPPEMENT DE L'ENDOMMAGEMENT A ETE EVALUE PAR LE NOMBRE DE FISSURES MATRICIELLES TRANSVERSES DANS LES PLIS LONGITUDINAUX ET CORRELE A LA DECROISSANCE DU MODULE D'ELASTICITE LONGITUDINAL. ENSUITE, DANS LE CAS DU COMPOSITE UNIDIRECTIONNEL, L'ANALYSE DE CETTE MULTIFISSURATION A PERMIS L'ESTIMATION DES PARAMETRES MICROMECANIQUES QUI DETERMINENT LE SEUIL D'ENDOMMAGEMENT DU MATERIAU ET SON EVOLUTION SOUS SOLLICITATION MECANIQUE. EN FATIGUE STATIQUE, L'EVOLUTION DE L'ENDOMMAGEMENT DANS LE COMPOSITE SIC-MAS.L (0/90), SUGGERE UNE SENSIBILITE DE LA MATRICE MAS.L A LA CORROSION SOUS-CONTRAINTE. LA COMPARAISON DE L'EVOLUTION DES PROPRIETES MECANIQUES AU COURS DES ESSAIS DE FATIGUE DYNAMIQUE A 1 HZ ET 10 HZ INDIQUE QUE L'EFFET DE FATIGUE DYNAMIQUE DANS CE COMPOSITE DEPEND PEU DE LA DUREE DE L'ESSAI. IL SERAIT PLUTOT DU A UNE MODIFICATION PROGRESSIVE DES PROPRIETES INTERFACIALES AU COURS DU CYCLAGE. DANS LE CAS DES MATERIAUX SIC-SIC 2D STANDARD, L'ETUDE DE LA RESISTANCE A LA PROPAGATION DE FISSURE SUR DES EPROUVETTES CT PERMET D'ACCEDER A DES VALEURS K#R FIABLES SEULEMENT POUR DES EPROUVETTES DE TAILLE W40 MM, DANS LE DOMAINE DE CROISSANCE SOUS CRITIQUE DE FISSURE
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Publisher: Ed. Techniques Ingénieur
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Languages : fr
Pages : 14
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Author: Eileen Boissin
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Languages : fr
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Du fait de leurs nombreux avantages, à savoir notamment leur faible coût, leurs meilleures possibilités de recyclage et de réparation, leur légèreté et leur bonne tenue en fatigue, les résines polymères thermoplastiques sont de plus en plus employées dans l'industrie des matériaux composites. Cependant, du fait de leur nature chimique, leur réponse mécanique dépend de la température, et ce, même dans un intervalle éloigné de leur température de transition vitreuse. Cette dépendance se répercute, dans une proportion moindre mais qui reste significative, sur la réponse mécanique des composites à matrice thermoplastique. Du fait des distributions locales des contraintes dans ces derniers et des micro- et méso- structures qui les composent, cette dépendance peut aussi se répercuter sur le scénario d'endommagement de ces derniers. Or, des structures telles que des pales d'éolienne sont amenées à fonctionner dans une plage de température allant de -20°C à 60°C. Il devient donc nécessaire d'étudier l'impact de la température sur le comportement mécanique et sur le scénario d'endommagement des composites à matrice thermoplastique, pour permettre notamment de mieux prévoir l'évolution de l'endommagement en fatigue des pales d'éolienne, dans leur intervalle de température de service. En effet, les pales d'éolienne sont généralement dimensionnées via une approche normative, qui requiert soit des campagnes expérimentales conséquentes pour obtenir le comportement en fatigue de tous les stratifiés constituant une structure telle qu'une pale d'éolienne soit la formulation d'hypothèses fortement conservatives, qui nuisent à l'optimisation de la conception des pales. Pour pallier à cela, un modèle d'endommagement permettant de décrire l'évolution de la résistance, de la rigidité et de la déformation résiduelle d'un pli unidirectionnel soumis à des chargements quasi-statiques ou de fatigue a été récemment développé. Les travaux présentés ici visent dans un premier temps à valider l'utilisation de ce modèle dans le cas d'un composite à matrice acrylique renforcé de fibres de verre, utilisé pour la fabrication de certaines pales d'éolienne. L'identification et la validation s'appuient à la fois sur des essais mécaniques en quasi-statique, en fatigue (traction/traction, traction/compression) sur plusieurs strates et sur des analyses physiques (micrographies sous charge, micro-tomographie à rayons X). Il s'agit ensuite d'analyser comment l'effet de la température sur le comportement mécanique et le scénario d'endommagement de ce composite se répercute sur les paramètres du modèle.
Author: Amine Imaddahen
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Languages : fr
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Book Description
L'objectif final de ce travail est de proposer un outil numérique capable de prédire l'endommagement et la durée de vie en fatigue des matériaux et structures en composite à matrice thermoplastique. Pour ce faire, une étude expérimentale multi-échelle du matériaux PPGF40 (polypropylène chargé en fibre de verre à 40% en masse) est réalisée. Une analyse qualitative, mais aussi quantitative des différents mécanismes d'endommagement se produisant lors d'une sollicitation mécanique a été réalisée à travers des essais de flexion trois points in situ MEB, des essais de fatigue interrompus et des observations des faciès de rupture en monotone et en fatigue. A la lumière de ces essais nous avons conclu que la décohésion de l'interface fibre-matrice et la propagation des fissures à travers les interfaces apparait être le phénomène prépondérant menant à la ruine du matériau et cela indépendamment de l'orientation des fibres et du mode de sollicitation monotone ou fatigue. La démarche hybride proposée est basée sur un modèle micromécanique / phénoménologique permettant de prendre en compte l'endommagement à l'interface fibre-matrice et la plasticité de la matrice. Pour ce faire, un critère local statistique d'endommagement à l'interface fibre-matrice est introduit dans un modèle de Mori et Tanaka et la linéarisation du comportement plastique de la matrice est réalisée pas à pas, en utilisant une approche en champs moyens avec une formulation sécante. Le modèle micromécanique utilisé permet alors de prédire le comportement du matériau sous chargement monotone et notamment la première perte de rigidité en fatigue. L'analyse des résultats montre que cette dernière est directement liée à la durée de vie en fatigue du matériau. Ainsi, une méthodologie prédictive de la durée de vie est proposée et validée pour différentes configurations microstructurales. Un critère de rupture en fatigue est proposé en fonction du nombre de cycles.
Author: K.L. Reifsnider
Publisher: Elsevier
ISBN: 0444597182
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 532
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Book Description
This book provides the first comprehensive review of its kind on the long-term behaviour of composite materials and structures subjected to time variable mechanical, thermal, and chemical influences, a subject of critical importance to the design, development, and certification of high performance engineering structures. Specific topics examined include damage, damage characterization, and damage mechanics; fatigue testing and evaluation; fatigue behaviour of short and long fibre reinforced polymer and metal matrix materials; viscoelastic and moisture effects; delamination; statistical considerations; the modeling of cumulative damage development; and life prediction. The volume provides an extensive presentation of data, discussions, and comparisons on the behaviour of the major types of material systems in current use, as well as extensive analysis and modeling (including the first presentation of work not found elsewhere). The book will be of special interest to engineers concerned with reliability, maintainability, safety, certification, and damage tolerance; to materials developers concerned with making materials for long-term service, especially under severe loads and environments, and to lecturers, students, and researchers involved in material system design, performance, solid mechanics, fatigue, durability, and composite materials. The scope of the work extends from entry level material to the frontiers of the subject.
Author: Marie Jacquesson
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Languages : fr
Pages : 248
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Book Description
Dans le cadre de la recherche de matériaux alliant légèreté et performances mécaniques élevées pour des applications aérospatiales, Aérospatiale a développé un procédé d'élaboration par fonderie à moindre coût permettant la réalisation de pièces renforcées localement ou entièrement par des matériaux composites à matrice métallique. Le travail de thèse a consisté en 1' étude des performances en fatigue oligocyclique des composites ainsi élaborés, à matrices d'alliages d'aluminium renforcées par des fibres continues d'alumine N610 (haute résistance et interface fibre-matrice forte) ou de carbone K139 (haut module et interface fibre-matrice faible). A noter que la préforme est quasi-unidirectionnelle, tissée avec 90% de fibres en sens long et 10% de fibres en sens travers. Cette étude a nécessité la mise au point d'une méthodologie expérimentale basée sur l'utilisation en parallèle d'essais mécaniques, d'observations microstructurales et de suivi par émission acoustique. Les matériaux sont dans un premier temps sollicités en statique. Les observations microfractographiques et microstructurales ainsi que l'étude de la réponse des matériaux en émission acoustique permettent de dégager les principaux mécanismes d'endommagement et leur chronologie d'apparition jusqu'à la rupture. Dans un deuxième temps, les matériaux sont sollicités en fatigue à f=10Hz avec un rapport de charge de 0,1. L'association des résultats d'essais mécaniques avec suivi extensométrique, des informations tirées des observations microstructurales sur les faciès de rupture et sur les coupes polies extraites d'éprouvettes dont l'essai a été interrompu, et des résultats issus du suivi par émission acoustique pendant l'essai mécanique, permet d'identifier trois classes de signaux acoustiques que l'on associe à trois modes d'endommagement: la déformation matricielle, les ruptures de fibres individuelles et les ruptures de fibres en cascade au sein d'un toron. Une chronologie détaillée de leur ordre d'apparition est établie jusqu'à la rupture des échantillons. Les résultats obtenus ouvrent la voie à une méthode de prévision de la rupture à partir des éléments précurseurs d'émission acoustique.
Author: Mariem Ben ameur
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Languages : fr
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Book Description
L'utilisation de fibres naturelles comme renfort permet d'améliorer les performances environnementales des matériaux composites ainsi que leurs propriétés d'amortissement. Néanmoins, ces composites à fibres naturelles présentent des performances mécaniques moins intéressantes que celles des composites à fibres synthétiques. Dans ce contexte, cette étude propose d'élaborer des structures composites à renfort hybrides constituées des fibres de lin et de carbone. L'objectif de cette hybridation est de trouver un compromis entre les propriétés mécaniques et dissipatives. Tout d'abord, le comportement en statique des composites à fibres de lin, fibres de carbone et fibres hybrides lin/carbone a été analysé. Les caractéristiques élastiques principales d' un pli UD en contraintes planes sont ainsi déterminées .Par ailleurs, un suivi et une analyse des mécanismes d'endommagement ont été effectués au moyen de la technique d'émission acoustique associée à des observations microscopiques. Dans un souci de mieux répondre aux besoins industriels, le comportement des composites soumis aux essais de fatigue cyclique doit être étudié. Pour ce faire, le comportement en fatigue de ces matériaux à renforts non-hybrides et hybrides a été analysé sous sollicitations de traction et de flexion trois points. L' influence de l' hybridation sur la durée de vie en fatigue de ces composites a été établie. Enfin, une étude expérimentale et une modélisation par élément finis du comportement vibratoire des composites non-hybrides et hybrides ont été réalisées. Ainsi, le rôle des différentes fibres, de l'orientations des fibres, de séquences d'empilement dans l'amortissement en vibrations a été discuté.
