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Recherche - Valorisation

Contribution à la modélisation de l'absorption d'énergie dans les composites stratifiés par fragmentation et délaminage sous sollicitations dynamiques

le 20 mai 2009

Soutenance de thèse de doctorat de Jean-Mathieu Guimard,ENS Cachan, Domaine :Mécanique, Génie Mécanique, Génie Civil

Résumé :

Cette thèse est dédiée à l'étude théorique expérimentale et numérique de deux mécanismes majeurs gouvernant l'absorption d'énergie dans les structures composites stratifiées: la fragmentation et le délaminage. En matière de fragmentation, le modèle micro-mécanique de Fleck et Budiansky (1995) a été utilisé et discrétisé pour pouvoir intégrer les statistiques de défauts observées par Paluch (1994) et ainsi déterminer les caractéristiques principales à intégrer dans un comportement moyen. Celles-ci s'avèrent être une contrainte maximale de fragmentation dont la dispersion est de l'ordre de celle des imperfections géométriques, ainsi que des énergies dissipées et des longueurs de fragment quasi déterministes. Du point de vue du délaminage, une association d'essais de mode II sous sollicitation dynamique menant à des propagations sub-soniques, de suivi par caméra rapide et de traitement par mesure de champs, et des comparaisons essais/calculs conduisent à conclure à d'importants effets de vitesse interfaciaux. Un modèle d'endommagement à taux limité a été utilisé pour les reproduire. Celui-ci a permis d'en déduire un modèle de propagation de fissure de délaminage de type mécanique de la rupture dynamique intégrant un nouveau paramètre de vitesse limite. Enfin, des premières simulations pseudo-2D simplifiées d'absorbeur ont permis d'étudier les interactions entre ces deux mécanismes. Qualitativement, la très grande influence de la nature des défauts géométriques introduits pour initier le délaminage est retrouvée.

Mots-clés : Composites, bandes de pliage, fragmentation, délaminage, dynamique rapide, endommagement/rupture, suivi de fissure, effets de vitesse.

Abstract:

This research work is dedicated to the theoretical study of experimental and numerical issues related to two major degradation modes governing energy absorption in composite laminates: the ply fragmentation in compression and the dynamic delamination. For the fragmentation topic, the microscopic based model from Fleck et Budiansky (1994) has been used as the framework for a dedicated finite element approach well suited to introduce the statistics of fiber imperfections observed by Paluch (1994). It permits to calculate and quantify the main characteristics required to simulate a mean compression behavior at mesoscale. These characteristics are: a peak stress instability highly linked with the imperfection's magnitudes and Weibull dispersion modulus, but a dissipated energy and a fragment length which both remain quasi-deterministic. For the dynamic delamination topic, the extent to dynamic propagation within the sub-sonic range is studied on a mode-II simple configuration. An association of local crack monitoring and of dedicated field measurements methods are used to perform tests/simulations comparisons. Some quantitative evidences of important interfacial rate-effects are shown, these non-negligible effects can not be reproduced with the classical rate-independent interfacial model. Then, a rate-dependent interfacial CDM model is proposed: it is based on a bounded damage rate. This kind of model has been studied carefully in such dynamic situations in order to derive an equivalent dynamic fracture mechanics criterion with a limiting crack velocity parameter. Eventually, the two contributions are gathered in a research code developed for numerical simulation of simple absorbers with trigger shapes and materials parameters influences in terms of energy absorption. It permits to reproduce the important influence of geometric triggering to initiate the delamination process.

Keywords: Composites, kink-band, fragmentation, delamination, high speed dynamics, damage/fracture mechanics, crack speed follow-up, rate effects.
Type :
Thèses - HDR
Lieu(x) :
Campus de Cachan


Laboratoire

lmt-cachan

École doctorale EDSP

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Mémoire de thèse


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