Doctorante à l’Université Bretagne Sud et à l’Institut de Recherche Dupuy de Lôme à Lorient, France
Titre de la thèse : Contribution à l’étude des résistances en compression et au délaminage de composites stratifiés à fibres continues dans le contexte du nautisme de compétition.
Mot clés : CFRP, résistance en compression, résistance hors plan, désalignement de fibre, placement de fibres automatisé, drapage manuel, secteur nautique, critères de résistance
Résumé :
Les hydrofoils, des ailes sous-marines en matériau composite stratifié (fibre de carbone, matrice époxy), sont dimensionnés en résistance en compression et en résistance hors-plan. Les contraintes de compression agissent principalement dans la zone de cale basse de l’hydrofoil. Dans le cas de l’inversion de portance, les contraintes hors plan peuvent engendrer une rupture du coude par délaminage. La détermination des deux résistances est encore aujourd’hui un défi. Ces dernières décennies, des modèles micro-mécaniques ont été développés pour décrire le comportement fibre-matrice des stratifiés composites sollicités en compression. L’un des paramètres dominants est l’angle de désalignement de fibres, car il est responsable des instabilités locales de la matrice. Jusqu’à présent, la résistance hors plan a été principalement étudiée dans les secteurs aérospatial et aéronautique, ce sujet n’étant toujours pas entièrement maîtrisé.
Les travaux de cette thèse sont divisés en deux parties. La première est consacrée à la confrontation de deux méthodes expérimentales pour déterminer les résistances en compression de sept matériaux (fibre de carbone/matrice époxy) différents. Ces derniers sont fréquemment utilisés dans le secteur nautique. L’accent était mis sur la détermination de l’angle de désalignement de fibres en utilisant la méthode de Yurgartis. Les résistances en compression ont été confrontées en prenant en compte la distribution spatiale de fibres. La deuxième partie traite la confrontation des résistances hors plan des cornières unidirectionnelles en fibre de carbone/matrice époxy, fabriquées à la main et par la technologie de placement automatisé de fibres (AFP). Des essais de flexion quatre points ont été mis en mesure et la résistance hors plan a été déterminée en utilisant les solutions de Lekhnitskii et de Kedward. Des simulations par éléments finis ont confirmées les résultats estimés. Des valeurs plus élevées de la résistance hors plan des cornières fabriquées par AFP ont été discutées en faisant la liaison au processus de fabrication, en particulier au mode de compactage.
Publication
Influence of the manufacturing process on the interlaminar tensile strength of thick unidirectional continuous epoxy/carbon fibre composites
M. Grabow, V. Keryvin, A. Marchandise, J.-C. Grandidier, C. Baley, C. Le Guennec, O. Fagherazzi
in Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Elsevier, 03/2022
Abstract:
Racing yachts that fly over the sea level use appendices called hydrofoils made out of carbon fibre reinforced plastics. This study discusses the influence of the manufacturing process on their interlaminar tensile strength (ILTS). Indeed, ILTS is a key design parameter, since tensile out-of-plane stresses in the hydrofoil elbow may cause the structure to fail by delamination. Hydrofoils are usually manufactured by traditional hand lay-up and more recently by automated fibre placement technology (AFP). Thick unidirectional L-beam specimens were manufactured from the same prepreg material, either by AFP or by hand lay-up (MAN). AFP specimens were 40% stronger than MAN ones. The investigation of failure locations as compared to estimated ones made us highlight that AFP specimens reach their highest possible strength while MAN specimens fail prematurely, due to manufacturing-induced defects, such as localised porosities. The key features of AFP technology, with respect to the traditional MAN process, are eventually discussed.
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¹ Budiansky, B. & Fleck, N. (1993). Compressive failure of fibre composites. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 41 (1), 183–211.
² Grandidier, J.-C., Casari, P., & Jochum, C. (2012). A fibre direction compressive failure criterion for long fibre laminates at ply scale, including stacking sequence and laminate thickness effects. Composite Structures, 94 (12), 3799–3806.
³ Yurgartis, S. (1987). Measurement of small angle fiber misalignments in continuous fiber composites. Composites Science and Technology, 30 (4), 279–293.