Apports de l'analyse comparée des processus de fragmentation et de création de débris dans la compréhension du comportement à l'écrasement de structures composites aéronautiques (Contributions of the comparative analysis of fragmentation and debris generation processes to the understanding of the behaviour of aeronautical composite structures under crushing) Tostain, Floran 2016-12-02 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Rivallant, Samuel; Espinosa, Christine Laboratoire :  Institut Clément Ader -ICA Ecole doctorale :  Aéronautique - Astronautique -AA Classification : Sciences de l'ingénieur

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Crash, Fragmentation, Modélisation numérique, Composite, Carbone/époxy, CFRP, SEA Résumé : La certification des aéronefs au crash ou à l’atterrissage dur nécessite de concevoir et dimensionner des structures légères vérifiant les exigences d’absorption d’énergie. Le critère de performance est l’énergie d’absorption spécifique (Specific Energy Absorption, SEA). Nos travaux expérimentaux et numériques visent une meilleure compréhension de la contribution favorable ou défavorable des modes de ruine à la stabilité et à l’amplitude de l’énergie consommée. Le travail expérimental, réalisé sur des échantillons plaques stratifiées en T700/M21 faible grammage et interlock 55% ou 100%, compare les niveaux et les évolutions des forces d’écrasement avec l’apparition et le maintien des modes de ruine majeurs que sont l’évasement, les fragmentations en coeur de plis et localisée en bout de pli. L’observation et la mesure des processus dynamiques de fragmentation représentent un verrou contourné ici par une analyse point à point de la synchronisation entre les films des essais et les courbes force-déplacement, et par l’observation post-mortem des échantillons, des débris et des fragments. Les plaques ont une performance à l’écrasement sensible à l’épaisseur des plis et aux vitesses de déformation. Pour les interlocks, c’est le sens de tissage qui a le plus d’effet sur l’amplitude et la stabilité de la SEA, et génère un évasement global plus instable. La simulation numérique dynamique transitoire non-linéaire est utilisée comme outil complémentaire de mesure et d’analyse des essais sur plaques T700/M21 [0°/90°]. La morphologie d’écrasement est bien reproduite. L’analyse des processus de ruine à l’échelle du pli fait apparaître l’interaction entre la résistance mécanique en compression transverse du matériau (Yc) et la résistance à la déchirure en cisaillement de la structure (GIIc), et l’articulation et/ou la compétition entre évasement et fragmentation en coeur de pli qui en découlent. La mesure de la contribution des trois modes de ruine dans l’énergie consommée effectuée au travers de l’évolution des seuils de ruine permet de suivre l’évolution correspondante de l’effort d’écrasement. Une étude a été menée sur la robustesse du modèle, et permet d’évaluer plus généralement la sensibilité en amplitude et en stabilité de la SEA aux propriétés de résistance mécanique identifiées comme influentes. Résumé (anglais) : The certification of aircrafts to hard landing or crash situations needs to design lightweight structures meeting requirements in term of energy absorption. The Specific Energy Absorption (SEA) is used to compare the performance of different structures. Experimental and numerical studies led in our work aim to improve the understanding of the influence of ruin modes on the crushing stability and the energy absorption capacity. Crushing experimental tests are carried on low-weight T700/M21 CFRP laminated plates and on 55% or 100% Interlock configurations. The crushing force value and its variations are compared to the proportion of inside ply fragmentation, localized fragmentation and splaying mode observed during the crushing process. The observation and the measure of the dynamic process of fragmentation are lock problems circumvented by two means. First, a step by step observation of synchronized tests’ pictures and force-displacement points is conducted. Second, a post-mortem observation of the specimen and a collect of debris and fragments is carried out. It is shown that composite laminates behaviour is influenced by the ply thickness and the strain-rate parameters. For the Interlock, the woven directions have the most important effect on the SEA value and stability and can produce a global fragmented splaying with some instability. Nonlinear transient dynamic numerical simulations are used as an additional tool to measure and analyse the experimental tests on T700/M21 [0°/90°] plates. The crushing morphology is correctly reproduced. The analysis of damage at the mesoscale shows the interaction between the mechanical transverse compressive strength of the material (Yc) and the shear strength of interfaces between plies (GIIc), and the link and/or the competition between splaying and inside ply fragmentation. The measure of the contribution of the three ruin modes in the dissipated energy is performed and linked to the variations of the crushing force. A study is carried out on the robustness of the model and allows linking the SEA value and stability to the mechanical strength properties identified as influential parameters. Langue : Français

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