Évaluation des performances mécaniques de stratifiés carbone-époxy préformés à l'aide de la couture "one-sided"

Leduc, Catherine (2015). Évaluation des performances mécaniques de stratifiés carbone-époxy préformés à l'aide de la couture "one-sided". Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le moulage par infusion sous vide se prête bien à la mise en forme de pièces en composites de formes complexes ou de grandes tailles, mais il y a un besoin criant d’automatiser le drapage des renforts secs pour que ce procédé rencontre les standards de qualité et d’efficacité de l’industrie aéronautique. Le préformage automatisé des renforts secs à l’aide de la couture « one-sided stitching » (OSS�) est une des techniques de préformage pouvant répondre à ce besoin. Toutefois, la couture peut altérer les performances mécaniques du stratifié et doit donc être utilisée judicieusement.

L’objectif de ce mémoire consiste à évaluer les effets de la couture OSS� sur les performances mécaniques de divers stratifiés afin de formuler des recommandations pour en faire une utilisation idéale pour le préformage d’un panneau raidi. Pour ce faire, les caractéristiques et propriétés de stratifiés cousus sont comparées à celles de stratifiés référentiels (non cousus) à chacune des trois étapes de la démarche expérimentale.

Durant la première étape, les effets de trois paramètres de mise en forme (c.-à-d. le pas de couture, la stratégie de moulage et l’orientation des coutures par rapport à la direction de chargement) sur les propriétés d’un stratifié quasi isotrope sont étudiés à l’aide d’une série d’essais physiques et mécaniques afin de sélectionner les paramètres de mise en forme optimaux pour la suite des travaux. Les résultats montrent que pour minimiser la surépaisseur et l’augmentation de la masse surfacique causées par la couture sans détériorer la résistance à la compression avec trou et la résistance à la compression après impact, le pas de couture doit être maximisé, la préforme doit être retournée entre le montage de couture et celui d’infusion sous vide de manière à ce que le dessus de la préforme soit placé contre le moule et finalement, les lignes coutures doivent être transversales à la direction de chargement.

Durant la seconde étape, les effets de la couture OSS� sur les propriétés mécaniques statiques de trois types de stratifiés sont étudiés. Les résultats des essais de tension, de compression et de flexion montrent que la couture provoque une diminution de la résistance intralaminaire, une augmentation de la résistance interlaminaire et une augmentation globale de la rigidité.

Durant la troisième étape, les effets de la couture OSS� sur la tolérance à l’endommagement de trois types de stratifiés sont étudiés. Les résultats des essais de compression avec trou, d’impact, de compression après impact et de propagation d’une fissure interlaminaire (Mode I) montrent que la couture augmente légèrement la résistance en présence de dommages, augmente l’énergie absorbée par le stratifié durant un impact et augmente drastiquement la résistance à la propagation d’une fissure interlaminaire.

En se basant sur les divers effets de la couture OSS observés, des recommandations en ce qui a trait à l’usage idéal de la couture pour le préformage d’un panneau raidi sont établies. Il est notamment recommandé de (1) minimiser la densité de couture si le panneau est fortement sollicité dans le plan, (2) maximiser la densité de couture si le panneau est susceptible de subir un impact et (3) coudre le voile et la semelle du raidisseur le plus près de la nouille possible pour réduire le risque de propagation d’une fissure interlaminaire.

Titre traduit

Evaluation of the mechanical performance of carbon-epoxy laminates preformed using "one-sided stitching"

Résumé traduit

Vacuum assisted resin infusion is a suitable molding process to manufacture large-scale or complex-shaped composite components, but there is a pressing need to automate the dry reinforcements layup process to meet aerospace quality and efficiency standards. Dry reinforcements preforming using automated one-sided stitching (OSS�) is one of the preforming process that can help meet this need. However, stitching may alter the laminate’s mechanical performance, and therefore must be used judiciously.

This project aims to assess effects of OSS� on the mechanical performance of a variety of laminates in order to make recommendations on the ideal use of OSS� for the preforming of a stiffened panel (skin-stringer assembly). To do this, the characteristics and properties of stitched laminates are benchmarked against the ones of reference (non-stitched) laminates at each of the three stages of the research.

During the first stage of the research, the effects of three process parameters (i.e. the stitching pitch, the molding strategy and the stitching orientation with respect to the loading direction) on the properties of a quasi isotropic laminate are studied using a series of physical and mechanical tests in order to select optimal process parameters for further work. Results for mechanical tests show that stitching the preform preserves, and slightly enhances in certain cases, openhole compression and compression after impact strength for specific combinations of process parameters. However, the use of OSS� causes a resin rich local laminate thickening (up to 0.5 mm) in the vicinity of the stitches that results in an increase of the laminate surface weight (between 3% to 9 %). To minimize the increase of the laminate surface weight while maintaining the mechanical performance, the stitching pitch must be maximized, the preform must be flipped between the stitching setup and the vacuum assisted resin infusion setup so that the top of the preform is placed against the rigid mold, and finally, the preform must be transversely stitched (with respect to the loading direction).

During the second stage, effects of OSS� on the static mechanical properties of three (undamaged) laminates are studied. Results for tension, compression and flexure tests show that stitching reduces intralaminar strength, increases interlaminar strength and increases global stiffness for the three laminates.

During the third stage, effects of OSS� on the damage tolerance of three laminates are studied. Results for open-hole compression, impact, compression after impact and Mode I crack growth tests show that stitching lightly increases compression strength of a damaged laminate, increases the total energy absorbed by the laminate during an impact and drastically increases interlaminar crack growth strength.

Based on the effects of OSS� observed, recommendations on the ideal use of OSS� for the preforming of a "T-stiffened" panel are made. It is recommended to (1) minimize stitching density if a panel is heavily loaded in the in-plane direction, (2) maximize stitching density if a panel is likely to be damaged by an impact, and (3) stitch the web and the flange of the stringer as closely as possible to the central noodle to reduce risks of interlaminar crack propagation.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 171-176
Mots-clés libres:	Composites à fibres de carbone Propriétés mécaniques. Résines époxydes. Stratifiés. Composites à fibres de carbone Essais. Essais de compression. Essais dynamiques. Flexion (Mécanique) Composites Moulage par injection. préformage, couture « one-sided », renfort interlaminaire, tolérance à l’endommagement, propriété mécanique, panneau raidi, raidisseur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Joncas, Simon
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	13 avr. 2016 20:36
Dernière modification:	23 juill. 2020 17:15
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1413

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