Caractérisation expérimentale de la sensibilité à la vitesse du comportement à rupture d'un matériau composite carbone/epoxy

Autor: Coussa, Fabien, FOUREST, Thomas
Přispěvatelé: DMAS, ONERA [Lille], ONERA
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: ICCM22
ICCM22, Aug 2019, MELBOURNE, Australia
Popis: International audience; Concerning crashworthiness of composite structures, reliable designs require the detailed response of the composite material at high strain-rates. The general framework of this study lies in the development of test means and facilities to characterize the dynamic behavior up to the final failure of aircraft primary structure materials. These experimental results should feed into the reflection on the development of a modelling strategy suitable for crashworthiness numerical analysis. This research focuses on the experimental investigation of a unidirectional carbon/epoxy laminate, under static and dynamic loadings. The objective of this paper is to present the general approach used to experimentally analyzed the strain-rate sensitivity of the failure envelop in tension as well as in compression. It relies on the use of off-axis specimens and tests conducted by means of the use of a servohydraulic jack. The main advantage of off-axis specimens lies in the apparent simplicity of tests that permit to induce coupled transverse/shear stress states by using a single actuator and simple specimen geometries. However, their drawbacks lie in the introduction of an unwanted transverse load on the dynamic devices and consequantly in a more complex analysis of the tests. In this study, a specific focus is provided on the development of an experimental methodology aiming at reducing unwanted transverse loads concerning both tensile and compressive tests on off-axis specimens. A uniaxial load is therefore provided by means of the use of oblique tabs regarding the off-axis tensile tests. Concerning off-axis compression tests, a specific set-up has been developed to allow the transverse displacements and prevent friction between the specimen and the testing machine.; En raison de leur rapport résistance/poids intéressant, les matériaux composites sont maintenant largement utilisés dans plusieurs domaines de l'industrie du transport. Les taux de déformation d'intérêt dans les applications aéronautiques vont généralement de la sollicitation de fluage à ε ̇ = 10^-6 s-1 aux sollicitations dynamiques à ε ̇ = 10^5 s-1. Dans le cas d'une sollicitation de crash, les taux de déformation considérés sont compris entre ε ̇ = 10^-4 s-1 à ε ̇ = 10^3 s-1. L'utilisation de matériaux composites pour de telles structures chargées dynamiquement nécessite la connaissance et la compréhension de la réponse des matériaux composites à des vitesses de déformation élevées. Ces travaux se concentrent sur l'étude expérimentale d'un stratifié carbone/époxy unidirectionnel (T700/M21), soumis à des sollicitations statiques et dynamiques, afin d'étudier la sensibilité à la vitesse de déformation des propriétés à rupture dans un état de contraintes multiaxiales, aussi bien en traction qu'en compression. L'approche envisagée dans cette étude repose sur l'utilisation d'échantillons hors-axes. Les vérins servo-hydrauliques sont classiquement utilisés pour couvrir les taux de déformation d'intérêt. Le principal avantage des éprouvettes hors axe réside dans l'apparente simplicité des essais qui permettent d'induire des états de contrainte de cisaillement transversal couplés en n'utilisant qu'un seul actionneur et des géométries d'éprouvettes simples. Toutefois, l'inconvénient réside dans la transmission d'efforts transversaux indésirables sur le dispositif dynamique, qui ne sont généralement pas dimensionnés pour supporter des charges transversales élevées. En ce qui concerne les essais de traction, des talons obliques sont utilisés dans cette étude pour réduire les charges transversales induites par les éprouvettes hors-axes. Cette solution a déjà été utilisée dans d'autres études [1,2] où un état de contrainte homogène au sein de la zone utile a permis la caractérisation du module de cisaillement sur des éprouvettes orientées à 10° par rapport à l'axe de sollicitation. Peu d'auteurs ont utilisé des échantillons hors-axes en traction pour étudier la rupture des matériaux composites. Les essais effectués dans [3] à l'aide d'éprouvettes haltères, pour lesquelles la rupture n'est pas contenue dans la zone utile pour les petites orientations, peuvent introduire un manque de cohérence pour le calcul de la contrainte de rupture. Les échantillons de forme rectangulaire sont donc préférés dans cette étude. Afin de caractériser pleinement l'enveloppe de rupture du matériau étudié, des échantillons transversaux/cisaillement combinés avec des angles d'orientation des fibres Ɵ = 15°, 30°, 45°, 60°, 75° et des échantillons transversaux Ɵ = 90° sont considérés pour cette campagne expérimentale. Une analyse numérique a été réalisée à l'aide du logiciel Zebulon FE pour définir l'angle des onglets obliques ϕ par rapport à chaque orientation Ɵ°. De plus, en gardant à l'esprit que plus la longueur de l'échantillon est petite, plus la vitesse de déformation est élevée, trois longueurs d'échantillon (150 mm, 75 mm et 40 mm) ont été testées en régime quasi-statique afin d'évaluer l'influence de la réduction géométrique sur la contrainte macroscopique de rupture mesurée. Aucune différence et un faible écart entre les échantillons a pu être observé. La plus petite géométrie a été choisie et les essais de traction ont été effectués sous trois vitesses de sollicitation différentes (Fig. 1). Il a été remarqué que pour la plupart des échantillons, la rupture ne se produit pas à la jonction avec les talons, ce qui signifie que la concentration de contrainte au niveau des talons a été évitée avec succès en utilisant des talons obliques. Plusieurs auteurs ont effectué des essais de compression hors-axes à des taux de vitesses élevés pour caractériser la résistance à la compression des matériaux composites [4,5,6]. Alors que les éprouvettes relativement longues sont appropriées et stables pour les essais de traction, les éprouvettes plus courtes et plus épaisses sont plus fiables pour les essais de compression afin d'éviter les phénomènes de flambement. Néanmoins, cela entraîne des difficultés supplémentaires telles que des charges transversales élevées lors des essais hors-axes, des niveaux de charge élevés relativement à l'utilisation d'un vérin servo-hydraulique et des risques potentiels de rupture de l'éprouvette aux conditions limites. Dans [7], l'effet de la taille de l'échantillon sur la résistance mesurée a été étudié. Ils ont conclu que le frottement de la surface de l'éprouvette peut produire un effet de taille d'éprouvette lors des essais de compression hors-axes en raison d'un état de contrainte non uniforme dans l'éprouvette. Par conséquent, l'approche de cette étude est divisée en deux étapes. D'une part, une comparaison expérimentale de deux géométries d'éprouvettes de compression hors-axes a été réalisée. D'autre part, un nouveau dispositif dédié aux essais de compression d'éprouvettes hors-axes adaptées aux charges dynamiques a été développé. Tout d'abord, des éprouvettes de section rectangulaire de 12x12 mm², correspondant à la taille d'éprouvette habituellement utilisée pour les tests aux barres de Hopkinson, ont été comparées avec des éprouvettes de section rectangulaire de 8x8 mm². Des essais de compression quasi-statique ont été réalisés avec les deux géométries d'éprouvettes pour les mêmes angles hors-axes mentionnés précédemment pour les essais de traction. Les résultats de ces essais ont permis de déterminer que l'éprouvette de plus petite section est compatible avec la capacité de charge maximale du vérin hydraulique et n'entraîne pas d'incohérences dans le comportement et la contrainte de rupture (sauf pour Ɵ° = orientation 0°). De plus, un montage d'essai spécifique a été conçu pour les essais dynamiques. Afin de réduire les charges transversales et de garantir un état de contrainte uniforme lors d'expériences dynamiques hors-axes, la solution retenue dans cette étude repose sur l'utilisation d'une technique originale de compression en bout. La surface d'extrémité supérieure de l'échantillon est chargée par un contact ponctuel au moyen d'un composant hémisphérique intermédiaire solidarisé à l'échantillon. Ceci permet d'éviter tout effet de frottement et garantit une charge uniaxiale jusqu'à la rupture. La surface d'extrémité inférieure de l'éprouvette repose sur un roulement à billes radial et permet des déplacements transversaux. Avec ce dispositif, la charge transversale est évitée avec succès. Cette solution technique a été validée pour des conditions quasi-statiques et une campagne expérimentale de passage de vitesses quasi-statiques à des vitesses dynamiques à l'aide de vérins servo-hydrauliques est en cours.
Databáze: OpenAIRE
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