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Les chocs de type impact faible vitesse constituent l'une des
principales agressions mécaniques subies par les structures
stratifiées de faible épaisseur, à matrice organique et fibres de
carbone. Ces structures sont aujourd'hui très répandues dans les
domaines où les propriétés mécaniques par unité de poids jouent
un rôle important. Le dimensionnement de ces structures repose
sur des résultats expérimentaux obtenus en laboratoire en
utilisant une machine à chocs sur des échantillons beaucoup plus
petits que la structure réelle. Un projectile cylindrique projeté
par un canon ou laché d'une certaine hauteur (chute libre de
masse) vient impacter l'éprouvette en son milieu. Pendant le
choc, les jauges de déformation (capteurs) ainsi que les
techniques de Moiré sont utilisées pour effectuer des mesures
pour différents niveaux de charge (masse, diamètre et vitesse
initiale de l' impacteur).
Notre objectif a été de mettre au point un modèle capable de
reproduire les résultats observés lors des essais de type chute
libre de masse. Nous avons donc développé un outil permettant de
caractériser les conséquences d'un choc localisé sur une
structure simple de type éprouvette. Les difficultés de la
modélisation résident dans le traitement de deux types de
non-linéarités :
- celle des efforts transmis par le projectile au point
d'impact; elle dépend de la forme, de la vitesse et des
propriétés mécaniques de l'impacteur. Une loi de type Hertz
modifiée a été utilisée.
- celle des détériorations irréversibles des différentes
couches du matériau dues à l'apparition et au développement des
micro-fissurations de la matrice et aux décohésions
fibre-matrice. Pour prendre en compte ces dégradations qui
affectent les propriétés mécaniques du matériau, nous utilisons
une approche à double échelle. L'échelle de la couche est
considérée comme homogène élastique endommageable. La méthode y
utilise deux variables internes (constantes dans l'épaisseur de
la couche) pour traduire les dégradations de la couche :
chute du module de rigidité transverse (perpendiculaire à la
direction des fibres) et des modules de cisaillement. Les
évolutions de ces variables sont supposées linéaires par
rapport à la variable associée à l'endommagement.
L'identification des paramètres du modèle nécessite des essais
pour chacune des couches. Une intégration directe est ensuite
faite au niveau des assemblages de couches.
Un logiciel d'analyse transitoire non linéaire basé sur la
méthode des éléments finis a été développé pour prendre en compte
les mécanismes de dégradations progressives de l'éprouvette dues
au choc. Cette étude a été effectuée en collaboration avec le
Laboratoire d'Essais et d'Évaluations en Environnement (Thomson
Marconi Sonar) qui assure la partie expérimentale. Les
comparaisons essais/simulations du déplacement et de la vitesse
de l'impacteur en fonction du temps, ainsi que l'analyse de la
progression de l'endommagement dans les différentes couches ont
permis de valider l'outil de simulation numérique de l'essai
d'impact. Cette caractérisation complète du stratifié à l'échelle
du pli, tant du point de vue loi de comportement que modèle
d'endommagement (tenue au choc), permet de traiter n'importe
quelle séquence d'empilement. En effet, à partir des contraintes
dans chaque couche du stratifié, il suffit d'appliquer le modèle
développé pour cette couche et d'en déduire son état
d'endommagement. Pour un drapage avec des couches formées d'un
autre matériau, des essais de caractérisation similaires sont
nécessaires pour identifier les paramètres du modèle.
À terme, une base de données matériaux sera réalisée en
utilisant la même démarche. Cette base de matériaux sera
constituée :
- au niveau macroscopique, de la description des multicouches
utilisés et des résultats expérimentaux et numériques;
- au niveau mésoscopique (10-4 m), de la
description des couches: propriétés effectives, modèle
d'endommagement progressif à l'échelle de la couche
homogénéisée, et corrélations essais-calculs effectuées;
- au niveau microscopique (10-6 m), de la
description du volume représentatif de la couche
(unidirectionnelle, tissée, etc) et des propriétés mécaniques
des constituants, lorsque cela est possible.
Il est également prévu de compléter cette base de données
matériaux par:
- la description du contenu théorique (rapports, références,
...) et de la méthodologie expérimentale (dispositif, normes,
...) utilisée pour constituer cette base de donnée;
- les logiciels de visualisation des rapports et des courbes
obtenues par la simulation et l'interprétation des essais;
- le logiciel de caractérisation des propriétés effectives
des composites (COMEP);
- le logiciel de simulation d'une machine d'essai de tenue au
choc prenant en compte les dégradations progressives des
propriétés de la couche dues à l'endommagement;
- les logiciels pour interfacer cette base de données avec
différents codes de simulations numériques du comportement
dynamique des structures (DYNA3D, ANSYS).
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