Structural design of thick railway composite structures
Dimensionnement en fatigue des structures ferroviaires en composites épais
Résumé
This PhD work is devoted to the development of design tools able to be used in an industrial context by design offices. Even if we notice an increase use of composites materials in many fields, applications are limited when the stresses supported by the structures and the request security need accurate design providing high safety. Further if we increase the safety factors, the gain weight due to the use of composite materials and the cost attached to these materials, rapidly reduce the interest inherent of these materials. Avoiding such over-design needs a good knowledge of these materials both in their linear domain but in their non-linear domain too. That means a good understanding of damage mechanisms and damage tolerant analysis for damages susceptible to occur. In this context and through a partnership with ALSTOM industry, we studied carbon epoxy textile composites for bogie parts application. The objective was to characterize these materials and to analyze their damage modes when submitted to static and fatigue loadings and then to propose constitutive laws coupling stiffness and damage and accurate strength criteria. These models when introduced in finite element codes have to allow the design of structures with high gradients parts. The other objective was to study the influence of thickness in a context of increasing numbers of plies to support high stressed zones. The major reason is that composite materials are no more confined to secondary parts which only have to support low stresses but are now used for primary parts which contrary to secondary parts have to carry out high stresses with gradients. This is the reason why the thicknesses of laminate structures have notably increased. If we can always mention a good fatigue strength for composite materials, a high ratio between the fatigue limit and the tensile strength, it is necessary to verify such assessment when the thickness increased. In fact laminate structures develop out of plane stresses with the increase of the thickness the main consequence of them is to initiate delamination through the thickness. This type of damage can be very critical for the lifetime of these structures and has then to be considered during design phase.
Ce travail de thèse est consacré au développement d'outils de conception utilisables par des bureaux d'études. Si on note une progression des matériaux composites dans différents domaines, cette progression reste limitée dans certains secteurs ou les charges reprises par les structures, la sécurité qui leurs sont attachées nécessitent une conception rigoureuse. Tout changement de matériaux a besoin d'être argumenté. Par ailleurs si on augmente les marges de sécurité, l'intérêt des composites s'annule rapidement pour des raisons de coûts attachées à ces matériaux. Eviter ces écueils impliquent une conception basée sur une bonne connaissance des composites pressentis, à la fois dans les domaines linéaires et non linéaires. Cela signifie bien comprendre les mécanismes de dégradation et évaluer la tolérance associée aux différents dommages. C'est dans ce contexte et en partenariat avec la société ALSTOM, que nous avons étudié des composites tissés en carbone époxy pour réaliser certaines pièces de bogie. L'objectif de ce travail était de caractériser le comportement des matériaux, de répertorier leurs dégradations sous chargements quasi-statiques et cycliques puis de proposer des modèles de comportement prenant en compte l'influence des dégradations. Ces modèles implémentés dans un code de calcul par éléments finis doivent permettre de calculer des pièces à gradients de contraintes élevés. Un autre objectif était d'étudier le rôle joué par l'épaisseur des stratifications dans un contexte de pièces épaisses. La raison en est que les matériaux composites n'étant plus confinés à des parties dites secondaires ne reprenant que peu d'efforts, mais à des structures ou sous-structures primaires largement sollicitées, l'épaisseur des stratifications s'en trouve augmentée. Si on peut toujours parler de résistance exceptionnelle à la fatigue des composites, de rapport élevé entre la limite d'endurance et la résistance à la traction, il reste néanmoins à s'assurer que l'augmentation des épaisseurs ne vient pas contrarier ces affirmations. Les structures stratifiées développent en effet avec l'épaisseur des contraintes inter-laminaires dont la principale conséquence est d'engendrer des décollements entre les plis appelés délaminages, très préjudiciables pour la tenue mécanique de ces structures.
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