Multiscale experimental study and hybrid predictive modeling of the behavior, damage and the fatigue life of a polypropylene / glass fiber composite material
Étude expérimentale multi-échelle et modélisation hybride prédictive du comportement, de l'endommagement et de la durée de vie en fatigue d’un matériau composite polypropylène / fibres de verre
Résumé
The main objective of this work, is to provide a numerical tool, capable of predicting the damage and fatigue life of thermoplastic matrix composites materials and structures. To do this, a multi-scale experimental study of the PPGF40 material (polypropylene loaded with 40% by mass of glass fiber) is carried out. A qualitative, but also a quantitative analysis of the various damage mechanisms occurring during mechanical loading was carried out through in-situ three-points SEM bending tests, interrupted fatigue tests and observations of fracture faces in monotonic and cyclic loading. In the light of these tests, we concluded that the decohesion of the fiber-matrix interface, and the propagation of cracks through the interfaces, appears to be, the predominant damage phenomenon leading to the fracture of the material and that, regardless of the orientation of the fibers and the loading mode. The proposed hybrid approach is based on a micromechanical / phenomenological model taking into account the damage at the fiber / matrix interface and the plasticity of the matrix. To do this, a local statistical criterion of damage at the fiber-matrix interface is introduced into a Mori and Tanaka model, and the linearization of the plastic behavior of the matrix is done step by step, using the mean field approach with a secant formulation. The micromechanical model used then, makes it possible to predict the behavior of the material under monotonic loading, and in particular the first stiffness loss during the fatigue. Analysis of the experimental results shows that the latter is directly related to the fatigue life of the material. Thus, a predictive methodology of the fatigue life is proposed and validated for various microstructural configurations. A fatigue failure criterion is proposed according to the number of cycles.
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)