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Étude comparative sur la propagation de l’endommagement après impact des composites carbone/époxy renforcés par piquage au fil Kevlar et TI-NI

Vachon, Pierre-Luc (2012). Étude comparative sur la propagation de l’endommagement après impact des composites carbone/époxy renforcés par piquage au fil Kevlar et TI-NI. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les matériaux composites stratifiés présentent des propriétés mécaniques enviables dans le plan des couches de fibres, mais ils ont également une faiblesse naturelle dans la direction de l’épaisseur. Cette faiblesse peut donner lieu à l’apparition de zones délaminées invisibles à l’oeil nu, particulièrement lors d’un impact à faible vitesse. Par conséquent, beaucoup de travaux de recherche ont été dédiés à l’étude de méthodes de renfort interlaminaire pour les stratifiés, dont notamment l’insertion de coutures transversales. Ce projet de recherche propose donc d’utiliser la technique de couture avec un fil métallique en alliage TiNi présentant un comportement superélastique. La combinaison de ces deux éléments devrait permettre l’amélioration de la résistance à la propagation du délaminage lors d’un chargement en flexion.

En premier lieu, un modèle numérique a été développé pour servir d’outil d’analyse des structures composites. Le modèle 3-D a été construit dans l’environnement ANSYS à partir d’éléments solides à 20 noeuds et d’éléments shell à 8 noeuds. La technique d’endommagement progressif a été implémentée, permettant ainsi de prédire la propagation du délaminage dans une plaque stratifiée soumise à différents chargements. Le modèle a d’abord été validé en traction quasi-statique avant d’être utilisé pour simuler des essais de flexion trois-points.

Par la suite, des plaques de composite carbone/époxy ont été fabriquées, chaque plaque comprenant des échantillons renforcés de couture et d’autres non renforcés. Deux types de renforts ont été utilisés : des fils TiNi superélastiques et des fils de Kevlar, à titre de référence. Les plaques renforcées ont été découpées pour permettre l’observation des coutures internes au microscope optique.

Des essais standardisés d’impact à faible vitesse et de compression résiduelle après impact ont été menés (ASTM D7136 et D7137) sur les échantillons renforcés et non renforcés. Les renforts de Kevlar se sont montrés les plus performants pour réduire la zone endommagée après impact, ainsi que pour améliorer la résistance résiduelle en compression. Les renforts de TiNi ont tout de même présenté une amélioration encourageante pour ce qui est de la performance lors de l’impact, alors que la différence lors de l’essai de compression s’est avérée très faible par rapport aux échantillons non renforcés.

En troisième lieu, la performance en flexion trois-points des échantillons a été quantifiée expérimentalement en calculant l’énergie nécessaire pour créer un volume unitaire de matériau endommagé (Gv, J/mm3). Ce paramètre s’apparente au taux de restitution de l’énergie de déformation (Strain Energy Release Rate) communément rencontré dans les travaux sur le délaminage. Les résultats ont montré que bien que les renforts de Kevlar permettaient d’améliorer la ténacité à l’endommagement lors de l’impact, cette performance n’était pas entièrement reportée sur la ténacité à l’endommagement durant l’essai de flexion. Ainsi, en relativisant l’énergie de déformation dégagée lors de la propagation du délaminage par rapport au volume de délaminage engendré, on constate que les renforts de TiNi augmentent la valeur de cette résistance à l’endommagement.

Finalement, l’étude numérique du comportement des renforts a permis d’identifier des différences qui étaient imperceptibles sur les courbes Force-Déplacement. Les deux types de renforts semblent favoriser la propagation interlaminaire du délaminage lors de la flexion, bien que ce comportement soit moins prononcé dans le cas du TiNi. Cependant, les fils de Kevlar semblent plus efficaces pour freiner la propagation latérale du délaminage entre les
lignes de couture.

Titre traduit

Comparative study on the post-impact damage propagation of carbon/epoxy composites stitched with kevlar and TI-NI threads

Résumé traduit

Composite laminates have strong in-plane mechanical properties, but they are generally weaker through their thickness. This specificity makes the laminates prone to delamination, particularly under low-velocity impact loads. Consequently numerous research efforts have been dedicated to developing interlaminar reinforcing methods, such as transverse stitching. The present project proposes the use of the stitching technique combined with a special stitching thread made of superelastic TiNi alloy. This technology is intended to improve the delamination toughness in composite laminates loaded in bending.

In the first part of this study a numerical model was developed for analyzing composite structures. The 3-D finite element model was built with the ANSYS commercial software using 20-node solid and 8-node shell elements. The progressive damage modeling technique was used, allowing the prediction of delamination propagation in a laminate submitted to various loading modes. The model was validated for a plate under quasi-static traction load, and it was then used to simulate three-point bending tests.

Secondly, carbon/epoxy composite panels were fabricated, with each panel containing unstitched and stitched specimens. Two different materials were used for the stitching thread: superelastic TiNi wires and Kevlar threads as a reference. Some stitched specimens were cut in slices in order to make some observations of the internal stitch using an optical microscope.

Standardized low-velocity impact tests and compression after impact tests were carried out on stitched and unstitched specimens (ASTM D7136 and D7137). The Kevlar reinforcements have shown great performance in reducing the delaminated zone after impact, as well as in improving the residual compression strength. The TiNi reinforcements provided encouraging results during the impact tests, though being less effective than the Kevlar threads. During the compression after impact tests, only a slight difference could be measured between the TiNi-stitched and the unstitched specimens.

Then the bending performance of the specimens was quantified experimentally by calculating the energy required to create a unit volume of damaged material (Gv, J/mm3). This metric is similar to the Strain Energy Release Rate (SERR) commonly used in studies on delamination. According to the experimental results, the damage resistance in three-point bending was not improved by the Kevlar reinforcements, despite the reduced damaged zone after the impact test. Indeed, when the strain energy in bending is relativized to the induced damaged volume during propagation, it turns out that the TiNi reinforcements are more effective than the Kevlar’s for improving the damage resistance.

Finally, the numerical study on the behavior of both types of stitched reinforcements allowed identifying subtle differences between those. Indeed, both stitching threads (TiNi and Kevlar) promoted the interlaminar propagation of the delamination during simulation of the bending test, with this behavior being less pronounced for the TiNi-stitched plate. However the Kevlar threads seemed more effective for stopping this propagation in the zones between the stitches.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Bibliogr. : f. [147]-155.
Mots-clés libres: Alliages à mémoire de forme. Composites. Imagerie ultrasonore. Kevlar. Mécanique de l'endommagement. matériaux composites, couture, modèle numérique, flexion trois-points, impact à faible vitesse
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 12 févr. 2013 17:16
Dernière modification: 08 mars 2017 01:47
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1114

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