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Étude exploratoire sur le comportement en fatigue d’un composite à renfort tissé

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Cardonne, Martin (2015). Étude exploratoire sur le comportement en fatigue d’un composite à renfort tissé. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’utilisation grandissante des matériaux composites dans l’industrie aéronautique amène plusieurs défis. Par exemple, le comportement en fatigue des composites exposés aux conditions environnementales expérimentées par un aéronef est encore mal compris. Ce travail s’insère dans un vaste projet de recherche CRIAQ sur le seuil de propagation du délaminage dans un stratifié composé de fibres de carbone tissées à armure toile (plain weave) et d’une matrice époxy thermodurcissable incluant un défaut interne. Plus spécifiquement, le présent travail comporte quatre objectifs, soit : la conception, fabrication et validation des montages de tension-compression et de flexion complètement renversée, déterminer les protocoles de tests, quantifier l’effet d’une haute température sur la durée de vie en fatigue sur les éprouvettes chargées en tension-tension et quantifier à température ambiante la durée de vie en fatigue des éprouvettes chargées en flexion complètement renversée.

Des tests de tension quasi-statique et de fatigue en tension-tension ont été effectués à haute température. Les résultats en tension quasi-statique indiquent une légère diminution de la résistance du composite à haute température. De plus, la rupture des éprouvettes ne passe pas nécessairement par le défaut interne. Le critère de défaillance en fatigue tension-tension a été établi, correspondant au moment où le défaut interne commence à se propager. Il a été établi que le défaut commence à se propager lorsqu’il y a une augmentation de déformation de 5% après la déformation initiale de l’éprouvette. Une diminution de la durée de vie en fatigue a été observée à haute température pour les essais en tension-tension pour une même contrainte appliquée par rapport à la température ambiante. Une équation a été développée permettant d’interpoler la durée de vie d’une éprouvette pour une température entre la température ambiante et la haute température.

Lors des tests préliminaires, un désalignement de la machine MTS entrainant un flambement de l’éprouvette n’a pas permis la validation du montage tension-compression.

Le montage de flexion complètement renversée fonctionne comme prévu, mais des modifications ont été nécessaires pour réduire le temps d’installation des éprouvettes. Les tests de flexion quasi-statique et de flexion complètement renversée se sont déroulés à température ambiante. En flexion quasi-statique, les éprouvettes ont toutes brisé au niveau du rouleau de chargement. Des observations microscopiques en surface permettent de supposer que les fissures suivent le motif du tissu. En fatigue, la fréquence cible n’a pu être atteinte à cause de la flexibilité des éprouvettes et des équipements disponibles. Une fréquence plus faible a donc été utilisée pour compléter les essais de fatigue. Le critère de défaillance n’a pas été défini, car le défaut artificiel ne s’est pas propagé. Une zone d’endommagement plus grosse que la surface de contact des rouleaux, sous forme de délamination des premiers plis, a été observée. À 55% de la charge maximale à la rupture, une fissure en surface et des bris de fibres à l’intérieur de la fissure ont été constatés. Ces observations suggèrent que l’endommagement près de la surface n’a pas comme seul facteur la pression des rouleaux de chargement.

Titre traduit

Exploratory study on the fatigue behavior of composite with woven reinforcement

Résumé traduit

The growing trend in the aerospace industry to use composite material brings some interesting challenges. For example, the fatigue behaviours of composite that are exposed to the environmental conditions of an airplane are not well understood. This paper is part of a larger CRIAQ project on the flaw growth thresholds in a plain weave carbon fibre and thermoset epoxy composite with embedded internal flaw. Specifically, the present work as four objectives: designing, fabrication and validation of the tension-compression and fully reversed bending tests apparatus, determining tests protocols, quantify the effect of high temperature on the fatigue life in tension-tension and quantify at room temperature the fatigue life in fully reversed bending.

Quasi-static tension and tension-tension fatigue tests were performed at high temperature. The results in quasi-static testing indicate that there is a small reduction of the maximum strength at high temperature. Furthermore, the specimen fracture doesn’t necessarily go through the imbedded flaw. The fatigue failure criterion was defined to be the start of propagation of the imbedded flaw. At high temperature, it was determined that the flaw starts to propagate when there’s an increase of 5% of deformation calculated after the initial deformation. There’s a fatigue life reduction in fatigue tension-tension at same applied load compared to room temperature. An equation was developped to interpolate specimen fatigue life for a temperature between room and high temperature.

During priliminary tests, misalignment on the MTS test bench lead to specimen buckling. Thus, tension-compression test apparatus was not validated.

The fully reversed bending test apparatus works as intended, but needed some modifications to reduce specimen installation time. Next, quasi-static bending and fully reversed fatigue bending tests were done at room temperature. In quasi-static bending, the specimen all broke at the loading nose. Surface microscopy suggests that cracks follow the plain weave pattern. In fatigue, the test frequency traget was not met because of the specimen flexibility and available test equipments. A much lower test frequency was used to complete the task. Failure criterion was not defined in fully reversed bending since the flaw did not propagate. The damage found, as delamination of the first plies, is larger than the loading nose contact area. At 55% of the bending strength, a surface crack and fibres breakage inside the crack was found. These observations suggest that the loading nose pressure is not the only factor causing the delamination.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Rapport de mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 131-136).
Mots-clés libres: matériau composite, défaut, fatigue, haute température, tension-tension, flexion complètement renversée
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ngô, Anh-Dung
Codirecteur:
Codirecteur
Dubé, Martine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 03 avr. 2018 20:47
Dernière modification: 21 mars 2022 13:51
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1458

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