A micromechanical model for fatigue prediction of laminated composite structures
Sur un modèle micro pour le calcul des structures en composites stratifiés
Résumé
Laminated composites are increasingly involved in vital parts for the aeronautical industry. Degradation phenomenology is very complex, so that predicting the evolution of damage is a crucial research topic. In this context, a semi-discrete approach called the computational damage micromodel is developped at the LMT-Cachan. Transverse microcracking and microdelamination are described through discrete cracks (micromechanics), whereas the cracked ply's behaviour is described through the "Damage Mesomodel of Laminated" (mesomechanics). In the first part of the work, the semi-discrete model has been completed with pertinent behaviours under static loading. Plastic deformations, viscosit and fiber breaking has been added throught adapted scales. Thus, it constitutes a "virtual reference material" combining information from a whole family of materials rather than from only a single material. It can be viewed as a database containing the most important information about the material Then, this hybrid model has been numerically implemented on a high-performance parallel numerical platform, based on the multiscale LaTin method. Considering the high computing cost necessary to perfoml calculations, the code had to be paralellized in order to perfonn simulations on realistIC coupons. Finally, a first stage of validation with the comparison between experimental and numerical results has been done, leading to accurate description of damage evolution up to fracture, on different stacking sequences.
La proportion de matériaux composites stratifiés ne cesse d'augmenter dans les structures aéronautiques, et notamment dans les zones vitales de ces dernières. Ces matériaux présentent des mécanismes de dégradation très complexes, ce qui limite la confiance dans les modèles actuellement utilisés. C'est dans ce cadre qu'un modèle micro innovant pour les matériaux composites stratifiés est développé au LMT. Ce modèle dit "hybride", réconcilie micromécanique et mésomécanique des stratifiés. Les mécanismes tels que la microfissuration et le délaminage local sont décrits de manière discrète à travers la mécanique de la fissuration discrète. A l'opposé, les dégradations diffuses sont homogénéisées au niveau du volume appelé "matériau fibre-matrice" et décrites grâce au mésomodèle d'endommagement des stratifiés. Les travaux de thèse ont porté sur l'amélioration de ce modèle ainsi que sur le développement d'une stratégie numérique dédiée en vue de sa validation. Dans un premier temps, le travail a porté sur l'introduction au sein de la partie continue du modèle, des mécanismes nécessaires à la description du comportement d'un stratifié sous chargement mécanique. Ainsi, les phénomènes de déformations permanentes, de viscosité et de rupture dans le sens des fibres ont été introduits à travers des modèles se situant aux échelles les plus pertinentes. De cette manière, le modèle micro amélioré proposé peut se voir comme un "matériau virtuel de référence", constituant une base de données regroupant les principales modélisations permettant la description du comportement des stratifiés depuis l'état initial jusqu'à la rupture. Dans un deuxième temps, le travail a porté sur l'intégration numérique du modèle complet au sein d'une stratégie numérique dédiée. Basée sur la méthode LaTIn multi-échelles, le logiciel initialement développé à été complété au cours des travaux de thèse avec la prise en compte de la décohésion fibre/matrice, des déformations permanentes, de la viscosité et de la rupture dans le sens des fibres. En outre, la taille des problèmes engendrés par une telle stratégie se révélant très importante, une parallélisation complète de la stratégie a été menée, afin de permettre la simulation d'éprouvettes de taille réaliste. Ces simulations ont permis de mener une première phase de validation, à travers des comparaisons entre essais et simulations, dans le cas d'éprouvettes classiques de caractérisation des stratifiés.
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