Behaviour study of thick laminated composites : experimentation and finite element analyses

Duchaine, François (2014). Behaviour study of thick laminated composites : experimentation and finite element analyses. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In today’s industries, it is common practice to utilize composite materials in very large and thick structures like bridge decks, high pressure vessels, wind turbine blades and aircraft parts to mention a few. Composite materials are highly favoured due to their physical characteristics: low weight, low cost, adaptable mechanical properties, high specific strength and stiffness. The use of composite materials for large structures has however raised several concerns in the prediction of the behaviour of thick laminated composite parts. A lack of knowledge and experience in the use of composite materials during the design, sizing and manufacturing of thick composite parts can lead to catastrophic events.

In this thesis, it was supposed that the elastic material properties may vary with the laminate thickness. In order to measure the influence of the thickness on nine orthotropic elastic material properties (E1, E2, E3, ν12, ν13, ν23, G12, G13 and G23), three categories of thickness have been defined using a comparison between the classical lamination theory (CLT), different beam theories and a numerical 3D solid finite element analysis (FEA) model. The defined categories are: thin laminates for thicknesses below 6 mm (0.236"), moderately thick laminates for thicknesses up to 16 mm (0.630") and thick laminates for thicknesses above 16 mm (0.630").

For three different thicknesses (thin – 1.5 mm, moderately thick – 10 mm and thick – 20 mm), the influence of the thickness on the orthotropic elastic material properties of unidirectional (UD) fibreglass/epoxy laminates has been measured. A torsion test on rectangular bar is also proposed to measure the influence of the thickness on G13 and G23. The nine elastic material properties, in function of the thickness, have been used in CLT and 3D solid FEA model in order to predict the axial Young’s modulus and Poisson’s ratios of cross-ply and quasi-isotropic laminates. Experimental results have also been obtained for those laminates.

The analysis of test results with CLT and FEA showed that the variation of elastic material properties with the thickness is not significant for in-plane problems. On the other hand, a substantial influence has been highlighted on UD elastic material properties driven by the matrix like E2, E3, ν13 and G12.

Titre traduit

Étude comportementale des laminés composites à parois épaisses : évaluation expérimentale et modélisation numérique par éléments finis

Résumé traduit

Les matériaux composites sont fréquemment utilisés dans l’industrie moderne étant donné les avantages qu’ils offrent : une réduction de poids, à un coût raisonnable, dû à l’adaptabilité des propriétés mécaniques en fonction du chargement et de la géométrie. Ils sont désormais utilisés pour la construction de structures à parois épaisses comme des tabliers de ponts, des réservoirs sous pression, des pales d’éolienne ou encore des pièces d’avions. Ces nouvelles applications pour des structures d’envergure ont soulevé plusieurs questionnements sur la prédiction adéquate du comportement des matériaux composites à parois épaisses. Un manque de compréhension du comportement de ces matériaux lors du développement de nouveaux produits pourrait entraîner des évènements tragiques.

Dans cette thèse, il est supposé que les propriétés élastiques des matériaux composites peuvent varier avec l’augmentation de l’épaisseur des laminés. Dans le but de connaitre l’influence de l’épaisseur sur les neuf propriétés élastiques orthogonales (E1, E2, E3, ν12, ν13, ν23, G12, G13 et G23), trois catégories de laminés, en fonction de leur épaisseur, ont été définis en comparant différentes théories et un modèle d’éléments finis solides. Les catégories ainsi définies sont : laminés minces pour des épaisseurs de moins de 6 mm (0.236"), laminés modérément épais pour des épaisseurs variant de 6 mm (0.236") à 16 mm (0.630") et laminés épais pour des épaisseurs supérieures à 16 mm (0.630").

Pour trois différentes épaisseurs (mince - 1,5 mm, modérément épais - 10 mm et épais - 20 mm), l’influence de l’épaisseur a été mesurée pour les propriétés élastiques de laminés unidirectionnels de fibres de verre et d’une résine époxy. Un essai de torsion sur des spécimens rectangulaires est proposé afin de mesurer l’influence de l’épaisseur sur G13 et G23. Par la suite, les neuf propriétés, en fonction de l’épaisseur du problème étudié, ont été utilisées dans la théorie classique des laminés (CLT) et dans un modèle d’éléments finis (FEA) solides pour prédire le module d’élasticité axial et les coefficients de Poisson pour différentes configurations de laminés. Des résultats expérimentaux ont aussi été obtenus pour ces laminés.

L’analyse des résultats calculés avec CLT et FEA a montré que le module d’élasticité axial, ainsi que les coefficients de Poisson, n’étaient pas influencés par l’épaisseur pour un problème dans le plan. Par contre, une influence significative est observée sur E2, E3, ν13 et G12 pour un laminé unidirectionnel.

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 fo doctor of philosophy". Bibliographie : pages 189-196.
Mots-clés libres:	Laminés (Métallurgie) Propriétés élastiques. Composites à fibres Propriétés élastiques. Méthode des éléments finis. Fibres de verre. Résines époxydes. composite, épais, laminé, parois, matériau, caractérisation, épaisseur, FEA
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Bersee, Harald
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 nov. 2014 16:23
Dernière modification:	10 déc. 2016 16:19
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1397

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