Étude du comportement d'expansion en couches des feuilles de stratifiés composites renforcés de fibres de carbone avancées

MÉCANIQUE ET INGÉNIERIE - Calcul numérique et analyse de données
Conférence académique 2019 sur la mécanique et l'ingénierie — Calculs numériques et analyse de données, 19-21 avril 2019, Pékin
19-21 avril 2019, Pékin, Chine

Étude du comportement d'expansion en couches des feuilles de stratifiés composites renforcés de fibres de carbone avancées

Gong Yu^1*, Wang Yana², Peng Lei³, Zhao Libin⁴, Zhang Jianyu¹

¹Université de Chongqing, Chongqing, 400044, Chine
²Institut de recherche aéronautique de Chine Institut de recherche sur les matériaux aéronautiques de Pékin, Pékin, 100095, Chine
³Centre de recherche sur les technologies des avions civils de Pékin, Pékin, 102211, Chine
⁴Université d'aéronautique et d'astronautique de Pékin, Pékin, 100191, Chine

AbstraitLa structure stratifiée est l'une des configurations composites les plus couramment utilisées, mais le délaminage devient son principal mode de défaillance en raison de faibles propriétés interlaminaires. La recherche sur le comportement de stratification et de dilatation des stratifiés multicouches, couramment utilisée en ingénierie, a toujours été un sujet d'actualité pour les chercheurs. Cet article présente les résultats de recherche sur le délaminage des composites renforcés de fibres de carbone au Laboratoire de fracture par fatigue de l'Université de Chongqing et de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Pékin, à partir de deux aspects : la recherche expérimentale et la simulation numérique. Enfin, les perspectives de développement du domaine sont prospectées.

Mots-clés:composite renforcé de fibres de carbone, stratifié, délaminage, stratification de fatigue

introduction

Les matériaux composites présentent d'excellentes propriétés, telles qu'une résistance et une rigidité spécifiques élevées, et sont largement utilisés dans l'aérospatiale, les technologies énergétiques, les transports civils et la construction. Lors de leur mise en œuvre et de leur utilisation, les fibres et la matrice subissent des dommages sous charge à différents degrés. Les modes de défaillance courants des stratifiés composites incluent les dommages intercouches et les dommages intracouches. En raison de l'absence de renfort dans le sens de l'épaisseur, les propriétés mécaniques latérales du stratifié sont médiocres et des dommages par délaminage sont très probables sous l'effet de charges d'impact externes. L'apparition et l'expansion de dommages stratifiés entraînent une diminution de la rigidité et de la résistance structurelles, voire des accidents catastrophiques.^[1-3]. Par conséquent, le problème de délaminage est de plus en plus concerné par la conception structurelle et l'analyse de la résistance des matériaux composites, et il est nécessaire d'étudier le comportement de dilatation en couches des matériaux composites.^[4].

Recherche sur le comportement d'expansion des couches de stratifiés
1. Étude expérimentale

La ténacité à la rupture interlaminaire est un paramètre caractéristique des propriétés mécaniques entre les couches composites. Des normes d'essai correspondantes ont été établies pour la détermination de la ténacité à la rupture interlaminaire des stratifiés unidirectionnels hybrides de type I, II et I/II. L'appareil d'essai correspondant est illustré à la figure 1. Cependant, les stratifiés multidirectionnels de matériaux composites sont souvent utilisés dans les structures d'ingénierie réelles. Par conséquent, l'étude expérimentale du comportement de stratification et d'expansion des stratifiés multidirectionnels présente une importance théorique et une valeur technique plus importantes. L'initiation et l'expansion des couches de stratifiés multicouches se produisent entre des interfaces présentant des angles de stratification arbitraires. Le comportement d'expansion des couches est significativement différent de celui des stratifiés unidirectionnels, et le mécanisme d'expansion est plus complexe. Les chercheurs disposent de relativement peu d'études expérimentales sur les stratifiés multidirectionnels, et la détermination de la ténacité à la rupture interlaminaire n'a pas encore établi de norme internationale. L'équipe de recherche a utilisé des fibres de carbone T700 et T800 pour concevoir divers stratifiés composites présentant différents angles de stratification des interfaces, et a étudié l'influence de ces angles et du pontage des fibres sur le comportement de délaminage statique et en fatigue. Il a été constaté que le pontage de fibres formé par le bord de fuite de la couche influence fortement la ténacité à la rupture interlaminaire. À mesure que la stratification s'étend, la ténacité à la rupture interlaminaire augmente progressivement à partir d'une valeur initiale faible, puis, lorsqu'elle atteint une certaine longueur, atteint une valeur stable, appelée courbe de résistance R. La ténacité initiale de la couche intermédiaire est quasiment égale à celle de la résine, laquelle dépend de la ténacité de la matrice elle-même.^{[5, 6]}. Cependant, les valeurs d'extension de ténacité à la rupture interlaminaire des différentes interfaces varient considérablement. Une dépendance significative de l'angle de la couche d'interface est présentée. En réponse à cette dépendance, Zhao et al.^[5]Sur la base du mécanisme physique de la source de résistance stratifiée, on considère que la valeur de la stabilité de la ténacité à la rupture interlaminaire se compose de deux parties : le travail de rupture de l'interface des couches indépendantes et l'endommagement intracouche et des fibres. Le travail de rupture causé par le pontage. L'analyse par éléments finis du champ de contrainte du front stratifié révèle que la deuxième partie du travail de rupture dépend de la profondeur de la zone d'endommagement du front de délaminage (comme illustré à la figure 3), et que cette profondeur est proportionnelle à l'angle de stratification de l'interface. Un modèle théorique de la valeur de la stabilité de la ténacité à la rupture de type I, exprimée par la fonction sinusoïdale de l'angle de stratification de l'interface, est présenté.
Gong et al.^[7]L'essai de stratification hybride I/II a été réalisé sous différents rapports de mélange et a révélé que la stratification hybride I/II du stratifié présente également des caractéristiques de courbe de résistance R significatives. L'analyse de la ténacité à la rupture entre différentes éprouvettes a révélé que la valeur initiale et la valeur stable de la ténacité à la rupture interlaminaire de l'éprouvette augmentent significativement avec l'augmentation du rapport de mélange. De plus, la ténacité initiale et la ténacité stable de la couche intermédiaire sous différents rapports de mélange peuvent être décrites par le critère BK.
En termes de stratification en fatigue, un pontage fibreux significatif a également été observé lors de l'essai. L'analyse des données d'essai révèle que l'expansion par délaminage en fatigue du matériau composite est affectée par la « courbe de résistance », de sorte que le modèle traditionnel de taux d'expansion par stratification en fatigue et la valeur seuil ne sont plus applicables. Sur la base d'une analyse théorique, Zhang et Peng^[4,8,9]ont introduit la résistance à l'expansion par délaminage par fatigue pour exprimer l'énergie nécessaire à l'expansion par délaminage par fatigue des matériaux composites, et ont en outre proposé l'énergie de déformation normalisée. Le taux de libération est le modèle de taux d'expansion stratifié par fatigue et la valeur seuil des paramètres de contrôle. L'applicabilité du modèle et du paramètre seuil normalisé est vérifiée par des expériences. De plus, Zhao et al.^[3]Français ont examiné de manière exhaustive les effets du pontage des fibres, du rapport de contrainte et du rapport de mélange de charge sur la stratification en fatigue et le comportement d'expansion, et ont établi un modèle de taux d'expansion stratifié en fatigue normalisé prenant en compte l'influence du rapport de contrainte. La précision du modèle a été vérifiée par des essais de stratification en fatigue avec différents rapports de contrainte et rapports de mélange. Pour la quantité physique de résistance à l'expansion stratifiée en fatigue dans le modèle de taux d'expansion stratifié en fatigue normalisé, Gong et al.^[1]Surmonter la faiblesse de la méthode de calcul, qui ne permet d'obtenir que des données discrètes limitées par l'expérimentation, et établir la fatigue du point de vue énergétique. Un modèle analytique pour le calcul de la résistance étendue stratifiée est proposé. Ce modèle permet de déterminer quantitativement la stratification en fatigue et la résistance à l'expansion, et fournit un support théorique à l'application du modèle de taux d'expansion stratifié en fatigue normalisé proposé.

Figure 1 Diagramme du dispositif de test stratifié

Figure 2 Courbe de résistance à la rupture intercouche R^[5]


Figure 3 Zone d'endommagement du bord d'attaque en couches et morphologie étendue stratifiée^[5]

2. Étude par simulation numérique

La simulation numérique de la dilatation stratifiée est un domaine de recherche important dans le domaine de la conception des structures composites. Pour prédire la rupture par délaminage des stratifiés composites unidirectionnels, les critères de dilatation stratifiée existants utilisent généralement la ténacité à la rupture interlaminaire constante comme paramètre de performance de base.^[10], en comparant le taux de restitution d'énergie en pointe de fissure et la ténacité à la rupture interlaminaire. Dimensionnement pour déterminer si la stratification est en expansion. Le mécanisme de rupture des stratifiés multidirectionnels est complexe.^[11,12], qui se caractérise par des courbes de résistance R significatives^[5,13]Les critères d'expansion en couches existants ne prennent pas en compte cette caractéristique et ne s'appliquent pas à la simulation du comportement de délaminage des stratifiés multidirectionnels pontés contenant des fibres. Gong et al.^{[10, 13]}L'auteur a amélioré les critères d'expansion stratifiés existants et proposé d'y introduire la courbe de résistance R. Sur cette base, il a établi un critère d'expansion stratifié prenant en compte les effets du pontage des fibres. La définition et les paramètres d'utilisation de l'unité cohésive constitutive bilinéaire ont été systématiquement étudiés par des méthodes numériques, notamment la rigidité initiale de l'interface, la résistance de l'interface, le coefficient de viscosité et le nombre minimal d'éléments dans la zone de force de cohésion. Le modèle de paramètres de l'unité cohésive correspondant a été établi. Enfin, l'efficacité et l'applicabilité du critère amélioré d'expansion stratifiée et du modèle de paramètres de l'unité cohésive sont vérifiées par un essai de stratification statique. Cependant, les critères améliorés ne peuvent être utilisés que pour des simulations en couches unidimensionnelles en raison de dépendances positionnelles, et non pour des extensions hiérarchiques bi ou tridimensionnelles. Afin de résoudre ce problème, l'auteur a également proposé un nouveau critère de force de cohésion trilinéaire prenant en compte le pontage des fibres.^[14]La relation constitutive correspond au processus complexe d'expansion en couches d'un point de vue microscopique et présente les avantages de paramètres simples et d'une signification physique claire.
De plus, afin de simuler avec précision le phénomène de migration stratifiée courant dans le processus de stratification des stratifiés multidirectionnels^[11,12], Zhao et al.^[11,12]Un modèle de guidage de trajectoire de fissure basé sur des éléments finis étendus a été proposé, simulant une conception spécifique. Migration hiérarchique dans un essai de stratification composite. Parallèlement, un modèle d'expansion en couches est proposé pour le comportement d'expansion en zigzag le long de l'interface 90°/90°, simulant avec précision le comportement d'expansion en couches de l'interface 90°/90°.

Figure 4 Simulation numérique de la migration en couches et résultats expérimentaux^[15]

Conclusion

Cet article présente les résultats de recherche de ce groupe dans le domaine du délaminage des stratifiés composites. Les aspects expérimentaux portent principalement sur l'influence de l'angle de stratification de l'interface et du pontage des fibres sur le comportement de délaminage en expansion statique et en fatigue. De nombreuses études expérimentales ont montré que le mécanisme de rupture multidirectionnel des stratifiés composites est complexe. Le pontage des fibres est un mécanisme de durcissement courant des stratifiés multidirectionnels, ce qui explique principalement la courbe de résistance R de la ténacité à la rupture interlaminaire. À l'heure actuelle, l'étude de la courbe de résistance R sous stratification II est relativement insuffisante et nécessite des recherches plus approfondies. À partir du mécanisme de rupture, un modèle de stratification en fatigue incluant divers facteurs d'influence est proposé, ce qui constitue une orientation de recherche sur la stratification en fatigue. En termes de simulation numérique, le groupe de recherche a proposé un critère d'expansion hiérarchique amélioré et un modèle constitutif cohésif pour prendre en compte l'influence du pontage des fibres sur le comportement de dilatation stratifiée. De plus, la méthode des éléments finis étendus est utilisée pour mieux simuler le phénomène de migration hiérarchique. Cette méthode élimine la nécessité d'une division cellulaire fine, éliminant ainsi les problèmes liés à la redivisation du maillage. Elle présente des avantages uniques pour simuler la stratification de formes arbitraires, et des recherches plus approfondies sur son application technique sont nécessaires à l'avenir.^[16].

Références

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[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulation XFEM de la délamination dans les stratifiés composites. Composites Partie A : Sciences appliquées et fabrication 2016 ; 80 : 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progrès de la recherche sur le comportement d'expansion stratifiée des stratifiés composites renforcés de fibres. Journal of Aeronautical Sciences 2019 : 1-28.

Source:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Étude du comportement en expansion stratifiée de stratifiés composites renforcés de fibres de carbone avancés [C]. Mécanique et ingénierie - Conférence académique 2019 sur le calcul numérique et l'analyse des données. Société chinoise de mécanique, Société de mécanique de Pékin, 2019. via ixueshu