Integrity assessment of preforms and thick textile reinforced composites for aerospace applications

Saboktakin Rizi, Abbasali (2013). Integrity assessment of preforms and thick textile reinforced composites for aerospace applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Three-dimensional (3D) textile composites containing in-plane fibers and fibers oriented in the thickness direction offer some advantages over two-dimensional (2D) textile composites. These advantages include high delamination resistance and improved damage tolerance. Textile composites containing 3D textile preforms have mostly been developed by the aerospace industry for structural applications such as wing panels, landing gear, rocket nozzles, and the Orion capsule, and so forth. This thesis is devoted to structural integrity assessment of textile composites including 2D and 3D tufted composites by combining destructive and non-destructive techniques. In the first part of the thesis, non-destructive techniques including X-ray computed tomography (CT) and ultrasound-based techniques (UT) were used to detect two significant processinduced defects called fiber breakage and fabric misalignment. The second part focuses on studying of the influence of manufacturing defects introduced during the tufting process on the mechanical properties.

Experimental results proved that X-ray CT facilitates the characterization of those two manufacturing defects as well as the architecture of the textile fabrics. Furthermore, mesoscale modeling of a 2D woven composite was successfully performed for the analysis of the fiber breakage defect influence and fiber architecture on wave propagation. Experimental results prove that tufting the preform assists in locking and restricting the yarn's movement in the preform. The threads used for tufting have a major influence on tensile strength, as stronger threads may give higher resistance. Tufting increases the compaction force due locking of fiber bundles, therefore, a higher compaction force is needed to obtain a fiber volume of up to 50 percent in comparison to an untufted preform. The drape behaviour of a tufted preform is influenced by tufting so that high drapability is observed for a tufted preform along with local variation of fiber bundle occurred around tufting reinforcements. The variation of preform geometry was achieved by laser scanning. Furthermore, the CT capability was investigated as a means for recognizing the shapes and locations of voids in composites. Tufted composites with transverse tufting suffer less reduction in the tensile strength than those with longitudinal tufting. Tufted composites are found to have lower fatigue life ithan untufted composites, while an improved compressive strength and tensile strength at high strain rate are observed. Tufting improves the mechanical properties of tufted honeycomb composites under local compression and bending loadings. Mostly, the damage initiates from resin-rich regions around the tufting reinforcements. The acceptance of 3D tufted composites for use in primary aerospace structures is highly dependent on the accuracy and reliability of experimental data to recognize the degree to which tufting reinforcements improve or degrade the mechanical properties. In this thesis, the correlation between the tufted preforms and composite properties and the changes to mechanical properties is discussed for a specific tufting configuration. Experimental data are reported on both the low-rate and high-rate static and fatigue strengths at various stress levels. Microstructural examination is carried out by using the high resolution microscopy and CT techniques. The results of this thesis contribute to the investigation of the integrity and damage tolerance in 3D tufted composites toward certifying purposes for future transport aircraft. Since the certification of tufted composites for aerospace applications is still problematic due to the lack of dependable non-destructive evaluation techniques for their inspection and those manufacturing factors can considerably influence their performance, this is an important problem to tackle in the field of aerospace composite engineering.

Résumé traduit

Les composites à renforts textiles 3D, contenant des fibres dans le plan et dans la direction de l'épaisseur, offrent certains avantages par rapport aux composites à renforts textiles 2D. Ces avantages comprennent une grande résistance à la délamination et une meilleure tolérance à l'endommagement. La plupart des textiles 3D ont été développés pour des pièces destinées à l'industrie aérospatiale telles que des panneaux d'ailes, des trains d'atterrissage, des tuyères de fusée et la capsule Orion. Cette thèse vise à évaluer l'intégrité structurelle des textiles composites en combinant des techniques d'inspection destructives et non destructives. Dans la première partie de la thèse, des techniques non destructives, y compris les rayons-X (CT) et des techniques basées sur les ultrasons (UT), ont été développées pour détecter les défauts importants comme la rupture des fibres et le désalignement des tissus. La deuxième partie porte sur l'étude de l'influence des défauts de fabrication qui se produisent dans les processus d’ touffetage sur les performances mécaniques.

Des résultats expérimentaux ont montré que tomographie rayons-X facilite la détection et la caractérisation de ces deux défauts de fabrication, ainsi que de l'architecture des tissus. En outre, la modélisation méso-échelle d'un composite tissé en 2D a été réalisée avec succès pour l'analyse de l'influence du défaut de rupture des fibres et de l'architecture des fibres de propagation de l'onde. Les résultats expérimentaux montrent que le touffetage des préforme limite ou élimine le mouvement de leurs fils. En plus, la touffetage par des fils de haute résistance à la traction peut améliorer celle de leurs préforme 3D. La touffe d’un préforme fait augmenter la force de compactage des fibres. À cet effet, cette méthode est nécessaire pour augmenter le volume des fibres de plus de 50 % en comparaison d'un préforme non touffeté. La résistance à la déformation d'une préforme est influencée par l’opération de touffetage. En effet, une préforme touffetée est plus résistance à la déformation qu’une préforme non touffetée. La variation de la géométrie de la préforme a été mesurée par balayage laser. En outre, la capacité CT a été étudiée en tant que moyen pour reconnaître les formes et les emplacements des vides dans les matériaux composites. La résistance à la traction des composites avec un touffetage transversale a eu moins de réduction de que celle avec touffetage longitudinal. Les tests de fatigue à haute vitesse de déformation montrent que les composites touffetés ont une durée de vie inférieure à celle des composite non touffetés. L’opération de touffetage permet d'améliorer les propriétés mécaniques des panneaux sandwichs à noyau en nid d'abeilles sollicités en compression locale et en flexion trois points. Les dommages sont souvent initiés dans les régions riches en résine qui entourent le renfort de touffetage. L'acceptation primaire de l’utilisation des composites touffetés 3D dans les structures aérospatiales est très dépendantes de l'exactitude et de la fiabilité des données expérimentales pour identifier le degré auquel les renforts améliorent ou dégradent les propriétés mécaniques. Dans cette thèse, la corrélation entre les préformes touffues, les propriétés des composites et leurs modifications dues au touffetage sont traités pour une configuration spécifique. Les données expérimentales sont présentées à la fois sur un taux faible et à haut débit statique et des forces de fatigue à différents niveaux de contrainte. L'examen microstructural est effectué en utilisant la microscopie à haute résolution et les techniques de CT. Les résultats de cette thèse contribuent à l'enquête sur la tolérance d'intégrité et de dommage dans les matériaux composites tuftés 3D en vue d'une certification pour l'utilisation dans les futurs avions de transport. Cependant, la certification des composites tuftés pour les applications aérospatiales est toujours problématique en raison de l'absence de techniques d'évaluation non destructive fiables pour leur inspection et les facteurs de fabrication peuvent influencer considérablement leur performance, il s'agit d'un problème important auquel on doit s’attaquer dans le domaine de composite pour l’aérospatial.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 175-184.
Mots-clés libres:	Composites Contrôle non-destructif. Composites Propriétés mécaniques. Industries aérospatiales. touffetage, préformes textiles, composites à renforts textiles, essais destructifs, caractéristiques des préformes, performance des composites, mécanismes de défaillance
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Vu-Khanh, Toan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	26 mars 2014 19:26
Dernière modification:	10 mars 2017 21:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1267

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