Experimental and numerical analyses of matrix damage on a composite material : A pultruded thermoplastic reinforced with glass fibers
Analyses expérimentale et numérique de l'endommagement matriciel d'un matériau composite : Cas d'un pultrudé thermoplastique renforcé de fibres de verre
Résumé
The use of composite materials composed of polymeric matrix have known a growing interest in industrial structures due to the ratio between structure weight reduction and reliable mechanical properties. The pultrusion with in-situ polymerization process allows high fiber volume fraction which provides the longitudinal mechanical properties needed nevertheless, such process induces a microstructural variability. These engineering structures are often submitted to complex multiaxial stresses. Such stresses are locally amplified due to the microstructural variability and particularly due to the fact that the matrix is constrained by the fibres. It is in this context that a multi-scale top-down (global / local) experimental and numerical approach has been developped. Deformation, damage and fracture mechanisms have been experimentally studied at both global and local scales. In order to do so, experimental technics related to X ray tomography have been used and allow in-situ observation of damage in the composite material submitted to different stresses. A constitutive model of the polymeric matrix has been developped thanks to approaches from the mechanics of porous media and allows to take into account the damage behavior of the constrained matrix. A multi-scale model allowing critical zones localization on industrial structures has been set up. The resulting stresses on the critical zones are then applied to the microstructure of the composite material. This model is able to take into account the damage cinetic, as well as transverse cracks initiation and propagation through the microstructure. Such approach has been used to determine cracks initiation pressures for different plies orientation of a composite pipe.
L'utilisation croissante des matériaux composites à matrice polymère dans les structures industrielles est impulsée par le besoin de contraintes environnementales tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques. L'évolution des procédés de fabrication et l'émergence de la pultrusion réactive permet la production de matériaux composites à matrice thermoplastique possédant des taux de fibres très importants. Ceci leur confère les propriétés longitudinales souhaitées mais ces procédés induisent une variabilité microstructurale importante. De plus, les pièces industrielles sont bien souvent sollicitées de façon complexe induisant des contraintes multiaxiales. Ces contraintes sont alors ``ressenties'' par la microstructure du matériau composite et par la matrice confinée par les fibres notamment. La variabilité microstructurale tend alors à amplifier les contraintes. C'est dans ce contexte qu'une approche multi-échelle macro-micro (globale/locale) expérimentale et numérique a été développée. Les mécanismes de déformation, d'endommagement et de rupture ont été expérimentalement analysés à l'échelle globale du matériau composite ainsi qu'à l'échelle locale de sa microstructure. Pour ce faire, de techniques expérimentales liées à la tomographie aux rayons X ont été mises en place et permettent d'observer in-situ l'évolution de la microstructure sollicitée. Il a été observé que l'endommagement se développe au sein de la matrice thermoplastique. Un modèle de comportement de la matrice endommageable a donc été mis au point à l'aide des approches issues de la mécanique des milieux poreux et permet de rendre compte des micro-mécanismes de déformation et d'endommagement de la matrice confinée par les fibres. Une approche de type ``top-down'' a été développée. Celle-ci permet de localiser les zones critiques d'une structure industrielle composite. Le chargement appliqué localement sur la pièce sert alors de conditions aux limites sur une microstructure réelle modélisée. Ainsi, il est possible de simuler la cinétique d'endommagement, permettant de comprendre l'amorçage et la propagation de fissures dans une structure industrielle. Cette approche appliquée au cas d'une canalisation composite sous pression a permis de déterminer des pressions d'amorçage de fissures en fonction de l'enroulement du composite sur la canalisation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)