Analyse du délaminage par effet de bord en statique et en fatigue dans un composite stratifié

Résumé : Le délaminage par effet de bord est un mécanisme d’endommagement tridimensionnel majeur dans les stratifiés multidirectionnels sollicités en traction, piloté par des contraintes interlaminaires qui ne peuvent être capturées par des descriptions purement dans le plan. Ce travail propose une approche intégrée expérimentale–numérique visant à caractériser et à prédire l’endommagement au bord libre ainsi que l’initiation et la propagation potentielles du délaminage sous chargements quasi-statiques et de fatigue, avec un focus sur des stratifiés tissés quasi-isotropes Carbone/PEEK. Dans la continuité des développements antérieurs au LMA, le travail cible également des configurations hors-axe, pour lesquelles les prédictions de résistance précédentes étaient limitées par l’absence d’une représentation interlaminaire explicite.

Un dispositif expérimental simple, basé sur des éprouvettes de traction non entaillées de type « sablier », est introduit afin d’activer de manière fiable les mécanismes de bord libre tout en limitant les concentrations de contraintes parasites. Couplée à la corrélation d’images numériques 3D, la zone de concentration de déformation transverse (Transverse Strain Concentration Zone, TSCZ) est définie comme un indicateur in situ et reproductible de l’évolution de l’endommagement induit par le bord. Les essais quasi-statiques montrent que la stabilité et l’observabilité de l’endommagement sont gouvernées par la séquence d’empilement et la mixité modale associée, certaines configurations présentant une croissance progressive et mesurable de l’endommagement de bord. La méthodologie est étendue à la fatigue traction–traction, fournissant des courbes S–N ainsi que les cinétiques de croissance de la TSCZ. La réponse en fatigue met en évidence une propagation stable et sous-critique de l’endommagement de bord sur une large fraction de la durée de vie, ainsi qu’une forte sensibilité à l’orientation du stratifié. L’influence des paramètres d’essai est également mise en évidence : la fréquence de cyclage doit être limitée afin d’éviter des effets thermomécaniques, et l’augmentation du rapport de charge $R$ améliore la durée de vie à contrainte maximale fixée.

Pour la prédiction, un modèle éléments finis 2,5D à coût numérique réduit est développé sous ABAQUS et couplé à des éléments cohésifs implémentés via un UEL (User ELement) développé par A. Turon et L. Carreras. Une stratégie d’identification inverse calibre les paramètres cohésifs directement à partir d’essais de traction non entaillés et de mesures de déformation transverse. Un post-traitement cohérent avec la TSCZ, associé à un seuil énergétique, fournit une contrepartie numérique robuste de la zone endommagée observée expérimentalement, permettant l’extension à la fatigue et la validation. Enfin, une analyse physico-chimique complémentaire est introduite pour interpréter le comportement interlaminaire du système CF/PEEK et rechercher des explications à une autre échelle et dans un autre domaine que le seul cadre mécanistique. Dans la fenêtre de mise en œuvre accessible, de modestes variations de cristallinité induites par la vitesse de refroidissement n’affectent pas de manière mesurable la réponse statique ni la durée de vie en fatigue, tandis qu’un cadre constitutif coopératif adapté au PEEK non chargé offre une description compacte de la contrainte d’écoulement en fonction de la température et de la vitesse de déformation, afin d’interpréter les effets de vitesse et de température dans les zones de processus interlaminaires riches en matrice.

Jury:

Christian HOCHARD           Professeur des universités           Aix Marseille Université            Directeur de thèse
Federica DAGHIA                Maîtresse de conférences           ENS Paris-Saclay                      Rapporteur
Philippe OLIVIER                 Professeur des universités          Université Paul Sabatier Toulouse III           Rapporteur
Albert TURON                      Professor                                     Universitat de Girona                 Examinateur
Yves REMOND                    Professeur émérite                       Université de Strasbourg           Examinateur
Jean-Pierre HABAS            Professeur des universités           Université de Montpellier           Président

.

La soutenance de thèse de Valentin Begin est prévue le 24 avril à 9h30 - amphithéâtre du LMA