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Comportement en fatigue à la traction des composites tissés carbone/époxy sous l'effet de la température, l’humidité et la fréquence de chargement : Essais et modélisation

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Khay, Mohamed (2018). Comportement en fatigue à la traction des composites tissés carbone/époxy sous l'effet de la température, l’humidité et la fréquence de chargement : Essais et modélisation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le but de cette thèse est d’abord d’étudier l’effet de la température, de l’humidité et de la fréquence de chargement sur le comportement en fatigue à la traction des composites stratifiés tissés carbone/époxy contenant un défaut de délamination interne ; ensuite, de proposer un modèle de fatigue phénoménologique de la rigidité résiduelle ; et enfin, d’étudier l’effet des mécanismes d’endommagement en fatigue à la traction sur les proprieties mécaniques des composites tissés, aux échelles mésoscopique et macroscopique en utilisant une modélisation par la méthode des éléments finis et la technique d’homogénéisation.

Ainsi, des éprouvettes sèches et humides ont été testées sous chargement cyclique en traction, en contrôle de force avec un rapport de contraintes R = 0.1, aux fréquences de chargement (7 Hz et 15 Hz) et aux températures (ambiante (TA) et à 82 °C) sous différents niveaux de contraintes. Le changement de rigidité admissible a été utilisé comme critère de défaillance pour déterminer le seuil d’initiation de la propagation de la délamination autour du défaut, sous chargement cyclique en traction à chaque fréquence et chaque condition environnementale. La propagation de la délamination a été vérifiée en utilisant la technique d’imagerie par ultrasons (C-Scan).

Les résultats expérimentaux dans les différentes conditions hygrothermiques montrent que la durée de vie en fatigue des éprouvettes carbone/époxy a été plus affectée individuellement par l’humidité que par la température, et que la combinaison de l’humidité et de la température cause une diminution sévère de la durée de vie en fatigue. Dans l’ensemble, ce comportement garde la même tendance dans chacune des deux fréquences de chargement (7 Hz et 15 Hz). Néanmoins, dans les deux conditions TA/Humide et 82°C/Sèche, l’augmentation de la fréquence de chargement a eu un effet positif en augmentant la durée de vie en fatigue des éprouvettes. Alors que dans les deux conditions TA/Sèche et 82°C/Humide, cet effet dépend du niveau de contrainte de chargement cyclique.

Par ailleurs, une étude a été menée sur les effets des conditions hygrothermiques sur la dégradation de rigidité d’un composite stratifié carbone/époxy à renfort tissé sous le chargement cyclique axial en traction-traction à la fréquence 7 Hz. En utilisant la degradation de rigidité résiduelle en fatigue, une variable d’endommagement a été présentée et un modèle d’endommagement phénoménologique a été proposé.

Enfin, une modélisation par la méthode des éléments finis aux échelles mésoscopique et macroscopique a été réalisée en utilisant la méthode d’homogénéisation pour un composite stratifié tissé afin d’étudier l’effet des mécanismes d’endommagement en fatigue sur les propriétés des stratifiés composites tissés.

Titre traduit

Tensile fatigue behavior of carbon/epoxy plain weave composites under temperature, humidity and loading frequency effects: tests and modeling

Résumé traduit

Due to their low weight and superior mechanical properties, carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites are becoming more and more used in engineering applications where low weight and high stiffness and strength are essential, specifically in the aerospace industry. However, during service these materials are often subjected to a wide range of manufacturing defects and incidental damages. One of these damages that mostly occur is delamination. Furthermore, these materials are exposed to environmental conditions such as temperature and moisture combined to different load frequencies. Consequently, it is necessary for aerospace applications to know the fatigue behavior of flawed CFRP laminates in such operational conditions.

The main goal of this thesis is first to study the effect of temperature, humidity and load frequency on fatigue behavior of quasi-isotropic plain weave carbon/epoxy aerospace laminates containing an artificial flaw under axial cyclic loading in tension-tension, secondly to propose a phenomenological model of the residual stiffness, and finally to carry out finite element modeling on mesoscopic and macroscopic scales by using the homogenization technique.

Dry and wet specimens were tested at tensile load-controlled cyclic loading with a stress ratio R = 0.1 and two load frequencies (7 Hz and 15 Hz) at room temperature (RT) and at 82°C under different stress levels. Allowable stiffness reduction as a failure onset criterion was used to determine the delamination propagation threshold under cyclic tensile loading at each frequency and environmental condition. The propagation of delamination was verified using the ultrasonic imaging (C-Scan) technique.

The experimental results show that fatigue life of CFRP specimens was more individually affected by moisture than by temperature and combined moisture and temperature cause a drastic decrease in fatigue life. The general behavior is kept with the same overall trend in each of the two loading frequencies (7 Hz and 15 Hz). However, under RT/Wet and 82°C/Dry conditions, the loading frequency increase played a positive effect by increasing the fatigue life of specimens. While in both conditions RT/Dry and 82°C/Wet, this effect depends on the cyclic loading stress level.

In addition, an investigation of the effect of hygrothermal conditions on stiffness degradation and damage of composite laminates subjected to tensile fatigue loading has been carried out. Based on the residual stiffness degradation, a phenomenological model of composite laminates damage under different hygrothermal conditions has been proposed.

Finally, finite element modeling at the mesoscopic and macroscopic scales was performed using the homogenization method for a woven composite laminate to investigate the impact of the presence of fatigue damage mechanisms on the macroscopic mechanical properties of woven composite laminates.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 131-137).
Mots-clés libres: matériaux composites tissés, fatigue, effets hygrothermiques, dégradation de la rigidité, homogénéisation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ngô, Anh Dung
Codirecteur:
Codirecteur
Ganesan, Rajamohan
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 13 janv. 2021 16:30
Dernière modification: 13 janv. 2021 16:30
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2166

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