Prediction of low velocity and low energy impact damages in carbon/epoxy laminates
Prévision des dommages d'impact basse vitesse et basse énergie dans les composites à matrice organique stratifiés
Résumé
In order to improve the understanding and the quantification of the impact damage formation and of their consequences on the composite structure behavior, numerical simulation seems to be a necessary complement to experiments. This thesis aims at designing an impact model suited for a dynamic implicit finite element numerical simulation, able to predict the induced damages.The first step of the work consisted in building an impact model using the ply behavior law “Onera Progressive Failure Model” (OPFM) and the bilinear cohesive law defined by Alfano and Crisfield, then in evaluating the impact response and the predicted damage sensitivity to the different parameters of the behavior laws. Impact and indentation tests on carbon/epoxy laminate plates have then been performed, analyzed and compared with the numerical results, in order to evaluate the impact performance of OPFM and its limits.This work points out three key results. First, the use of cohesive zone models seems necessary to predict the typical load drop. Secondly, the out-of-plane constraints, especially the shearing, must be taken into account to correctly predict impact damages. Finally, even if the OPFM model is able to qualitatively predict impact damages, the lack of softening or viscoplasticity seems to limit their quantitative prediction.
Afin de mieux comprendre et de mieux quantifier la formation des dommages d'impact et leurs conséquences sur la tenue de la structure composite, le recours à la simulation numérique semble être un complément indispensable pour enrichir les campagnes expérimentales. Cette thèse a pour objectif la mise au point d'un modèle d'impact pour la simulation numérique par éléments finis dynamique implicite, capable de prévoir les dommages induits.La première étape du travail a consisté à élaborer un modèle s'appuyant sur le modèle de comportement du pli « Onera Progressive Failure Model » (OPFM) et sur le modèle bilinéaire de zones cohésives proposé par Alfano et Crisfield, puis d'évaluer la sensibilité aux différentes composantes des lois de comportement de la réponse à un impact et des dommages prévus. Des essais d'impact et d'indentation sur des plaques stratifiées en carbone/époxy ont ensuite été réalisés, analysés et enfin confrontés aux résultats numériques, afin d'évaluer les performances à l'impact du modèle OPFM et ses limites.Ces travaux permettent d'aboutir à trois principales conclusions. Premièrement, l'usage de modèles de zones cohésives semble nécessaire pour prévoir la chute de force caractéristique de l'impact sur stratifiés. Deuxièmement, la prise en compte des contraintes hors plan, notamment les cisaillements, est indispensable pour prévoir correctement l'endommagement d'impact. Enfin, si le modèle OPFM est capable de prévoir qualitativement les dommages d'impact, l'absence de caractère adoucissant ou de viscoplasticité semble cependant limiter leur prévision quantitative.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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