L’objectif général de cette opération de recherche est de déterminer la résistance de structures réalisées en matériaux composites stratifiés carbone/epoxy. Le dimensionnement en résistance de structures composites stratifiées est complexe car les mécanismes d’endommagement et de rupture au sein de ces matériaux sont nombreux et apparaissent à des échelles différentes. Pour des stratifiés constitués de plis unidirectionnels, les simulations jusqu’à rupture de structures industrielles sont actuellement impossibles. La stratégie proposée dans cette O.R. pour atteindre cet objectif est basée sur des choix de matériaux (plis tissés ou unidirectionnels, fibres haut module) et des choix de limitation des modèles (rupture du premier pli) qui simplifient les calculs de structures. Le choix du stratifié et du type de pli ne repose donc plus seulement sur des critères de performances mécaniques mais également sur des critères de simplicité de modélisation. En parallèle de ces actions de recherche centrées sur la modélisation et la simulation, une nouvelle action de recherche sur les mesures des endommagements a démarré. Ces mesures devront, d’une part, permettre de recaler nos modèles (car impossibilité de décrire exactement le comportement et ignorance des conditions aux limites réelles) et, d’autre part, de détecter les éventuels macro-défauts (délaminage, fissure du stratifié ) et suivre leurs évolutions. Ces activités de recherche ont été réalisées en forte collaboration avec l’entreprise Eurocopter. Cette collaboration a conduit à la création d’une Equipe de Recherche Technologique sur la surveillance des endommagements.

 Stratifiés constitués de plis tissés. Pour des stratifiés constitués de plis tissés, en plus de l’absence de rupture transverse intra-laminaire, on observe une plus grande résistance au délaminage. Le nombre de mécanismes d’endommagement est donc réduit et le comportement à rupture plus simple à modéliser. Un calcul éléments finis en contraintes planes qui intègre le comportement anélastique endommageable du pli permet de décrire la rupture d’une structure (la rupture d’un pli conduit généralement à la rupture du stratifié pour des plis tissés). Des longueurs internes caractéristiques des matériaux sont introduites pour décrire la rupture fragile dans le sens des fibres. Les modèles développés pour des chargements statiques sont en cours d’extension aux chargements de fatigue.

 Stratifiés constitués de plis unidirectionnels. Pour des stratifiés constitués de plis unidirectionnels, une modélisation jusqu’à la rupture du première pli, pour des structures ou des stratifiés peu sensibles au délaminage, a été proposée. Dans ce cadre restreint, une modélisation en contraintes planes qui intègre le comportement anélastique endommageable est également suffisante. Ce type de modèle peut être utilisé pour des tubes (arbre de transmission, absence de bords) dans un contexte où la sécurité joue un rôle prépondérant. Le modèle de comportement présenté est un modèle "unifié" qui permet de décrire la rupture des composites stratifiés constitués de plis unidirectionnels pour des chargements statiques et pour des chargements de fatigue.

 Tubes composites à grande vitesse de rotation. Les nouvelles fibres haut module sont adaptées à des applications (arbres de transmission par ex.) où la rigidité joue un rôle prépondérant. Une valeur élevée du module spécifique permet en effet de repousser l’apparition des modes. La résistance au flambage en torsion est également améliorée par ces fibres. Si le comportement en traction de ces fibres est excellent, le comportement en compression est moins bon et délicat à déterminer. Un essai original de flexion pure a été proposé afin de déterminer précisément le comportement non linéaire élastique en compression. Toujours d’un point de vue expérimental, une machine d’entraînement de tube en rotation a été réalisée et a permis de mettre en évidence des phénomènes d’instabilité associés à un amortissement interne (matériau) élevé en utilisation surcritique.

 Surveillance des endommagements. L’objectif de cette nouvelle action de recherche est de réaliser un système de surveillance des endommagements dans les structures composites stratifiées. Cette surveillance consiste à associer un modèle de prévision des endommagements à des mesures de ces endommagements. Des transducteurs piézo-électriques sont utilisés pour effectuer ces mesures. Un premier candidat à l’installation de ce système de surveillance est une pale d’hélicoptère. La peau de la pale est composée d’un stratifié constitué de plis tissés orientés à 45° dans lesquels peut se développer un endommagement diffus (petites fissures de fatigue). Un objectif de cette étude est de prévoir l’évolution de cet endommagement et également de mesurer son niveau. Un autre objectif concerne la mesure les défauts macroscopiques (rupture du stratifié et délaminage) qui apparaissent sur les bords de fuite de la pale. Autour de ce thème, une Equipe de Recherche Technologique (ERT) intitulée "Surveillance des Endommagements dans les Composites Stratifiés Industriels" a été créée (2001-2005). Cette ERT est adossée au LMA, elle intègre du personnel de l’Université et le partenaire industriel est Eurocopter.

PUBLICATIONS PRINCIPALES SUR 4 ANS

1 Revues à comité de lecture

• Hochard C., Aubourg P.A., Charles J.P., Modelling of the mechanical behaviour of woven-fabric CFRP laminates up to rupture, Composite Science and Technology, 61(2), pp. 221-230, 2001·

• Hochard C., Payan J., Endommagement de composites stratifié carbone/epoxy sous chargements statique et de fatigue, Revue des Composites et des Matériaux Avancés, 11, pp. 333-348, 2001.·

• Payan J., Hochard C., Damage modelling of carbon/epoxy laminated composites under static and fatigue loads, Int. Journal of Fatigue, 24, pp. 299-306, 2002.·

• Hochard C., Optimum design of laminated composite structures, Composite Structures, 63, pp. 159-165, 2004.·

• Bois C., Hochard C., Monitoring of laminated composite delamination based on electro-mechanical impedance measurement, Journal of intelligent material systems and structures, 15(1), pp. 59-67 , 2004·

• Bordreuil C,Hochard C, Finite element computation of woven ply laminated composite structures up to rupture, Applied Composite Materials, 11(3), pp. 127-143, 2004·

• Hochard C., Payan J., Montagnier O., Design and computation of laminated composite structures, Composites Science and Technology, 65, pp. 467-474, 2005.·

• Montagnier O., Hochard C., Compression characterization of high-modulus carbon fibres, Journal of Composite Materials, 39, pp. 35-49, 2005.

THESES SUR 4 ANS

Thèses soutenues :

• PAYAN J. : " Etude du comportement de composites stratifiés sous chargements statique et de fatigue ", directeur de thèse : C.Hochard, Université de la Méditerranée, Soutenue le 16 janvier 2004, (Prag à UII, Marseille)·

• BOIS C. : " Mesure et prévision de l’évolution des endommagements dans les composites stratifiés ", directeur de thèse : C.Hochard, Université de la Méditerranée, Soutenue le 17 decembre 2003 (MdC à Bordeaux).

Thèses en cours :

• MONTAGNIER O. : " Tubes composites à grandes vitesses de rotation : analyses expérimentales et modélisation", directeur de thèse : C.Hochard, Université de la Méditerranée, soutenance prévue en mars 2005 (Prag à l’Ecole de l’Air à Salon).·

• TELLACHE M. : " Comportements à rupture des os des membres porteurs" LABM-LMA Dir. Thèse : P.Chabrand & C.Hochard. Début Octobre 2004.