Estimation of fatigue life time of interlock polymer matrix composites
Prévision de la durée de vie en fatigue des composites à matrice organique tisses interlock
Résumé
The context of this study is the will of a better understanding of interlock woven polymer matrix composite (PMC) fatigue behavior. Indeed, this kind of material is used in aeronautical industry in order to be compliant with competitiveness requirements. This work has consisted in setting up a methodology to estimate the fatigue lifetime and remaining properties (stiffness or strength after a certain number of loadings) of industrial interlock PMC structures. To reach this goal, a fatigue model has been developed based on experimental data and on a combination of the macroscopic static damage model Onera Damage Model (ODM) and a cumulative fatigue damage model. Then, an identification procedure has been proposed and applied, with a specific focus on the tensile mechanical behavior. Finally, the set up methodology has been applied to estimate the fatigue lifetime of industrial interlock PMC structures. This study leads to three key points. Firstly, the influence of matrix damage upon fiber bundle fractures, inducing load transfers, needs to be taken into account to estimate properly fatigue premature fractures. Secondly, the extension of the corrected version of the static model to fatigue loadings is reduced to the addition a cumulative damage model. The proposed macroscopic fatigue model permits the simulation of complex load cases with different stress levels for example, or even multiaxial fatigue load cases. Finally, the combination of static and a fatigue models makes the identification of the proposed fatigue model mainly dependent of static tests (which are shorts compared to fatigue tests).
Cette étude s'inscrit dans le domaine de la compréhension du comportement en fatigue de matériau composite à matrice organique (CMO) tissés interlock, utilisé dans l'industrie aéronautique pour répondre aux exigences de compétitivité. Ces travaux ont consisté à mettre en place une méthodologie de prévision de la durée de vie en fatigue et des performances résiduelles (rigidité ou résistance après un nombre donné de sollicitations), de pièces technologiques en CMO interlock. Pour cela, un modèle de fatigue a été développé à partir d'observations expérimentales comme une combinaison du modèle statique Onera Damage Model (ODM) avec une loi d'endommagement cumulé. Ensuite, un protocole d'identification a été proposé et appliqué en se concentrant sur le comportement mécanique en traction. Enfin, la méthodologie mise en place pour évaluer la durée de vie en fatigue de matériau composite interlock a été appliquée sur des pièces technologiques. La méthode proposée met en évidence trois conclusions principales. Premièrement, la prise en compte de l'influence des dommages matriciels sur l'évolution des ruptures de torons est indispensable pour estimer les transferts de charge induisant des ruptures prématurées en fatigue. Deuxièmement, une loi de cumul est suffisante pour étendre le modèle statique corrigé à des sollicitations de fatigue. L'expression proposée pour cette loi de fatigue permet de prendre en compte des chargements de fatigue complexes (par exemple, multiaxiaux et/ou multi-niveaux de chargement). Enfin, la combinaison statique/fatigue du modèle proposée rend son identification possible à partir d'essais statiques principalement (courts devant des essais de fatigue).
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