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24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 Caractérisation d

24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 Caractérisation de la résistance résiduelle après fatigue, en compression, de structures composites Carbone-Epoxy dans le nautisme de compétition A. LAUNAYa,b, V. KERYVINa, J.C. GRANDIDIERc, P.Y. MECHINd, R. BALZEb a. Univ. Bretagne Sud, UMR CNRS 6027, IRDL, F-56100 Lorient, France ; vincent.keryvin@univ-ubs.fr b. GSea Design, 19 rue Jules Guesde 56100, Lorient ; adrien@gseadesign.com c. ENSMA – Univ. Poitiers, UPR CNRS 3346, Pprime, 86961 Futuroscope Cedex, France d. Dassault-Systèmes, CATIA Composites, 10 rue Marcel Dassault, 78946 Vélizy- Villacoublay Résumé : Un voilier de courses au large est majoritairement constitué de structures composites minces et élancées, sollicitées en flexion. La flexion induit qu’une face est sollicitée en traction et une face est sollicitée en compression. Les matériaux composites à fibres de carbone et résine époxy ont une résistance en compression nettement inférieure à leur résistance en traction. De ce fait, un voilier de course au large est généralement dimensionné en compression. Afin de garantir la durabilité de ces structures, le bureau d’étude GSea Design s’intéresse au comportement en fatigue, en compression, de structures composites hautes performances. Ce comportement est très dépendant des matériaux utilisés mais également du procédé de fabrication et des défauts induits par ce procédé de fabrication. L’ensemble de ces facteurs font, qu’aujourd’hui encore, ce sujet reste mal maitrisé au sein du nautisme de compétition. Cet article présente une partie des travaux de recherche qui ont été menés en commun par GSea Design et l’Université de Bretagne Sud afin d’investiguer sur cette problématique. Dans un premier temps, la méthode utilisée pour réaliser une campagne expérimentale de fatigue en compression sur des matériaux composites à fibres de carbone haut module avec résine époxy sera décrite. Dans un second temps, les résultats de la campagne seront présentés et discutés. Abstract : A racing yacht is mainly manufactured of thin and slim composite structures, subjected to bending stresses. The bending induces one face is stressed in tension and one face is stressed in compression. Carbon fibre and epoxy resin composite materials have a much lower compressive strength than tensile. As a result, racing yacht is generally designed in compression. In order to guarantee the durability of these structures, GSea Design design office is interested in the fatigue and compression behaviour of high-performance composite structures. This behaviour is very dependent on the materials used but also on the manufacturing process and the defects induced by this manufacturing 24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 process. All these factors mean that even today, this subject remains poorly controlled within competitive boating. This article presents some of the research work that has been carried out by GSea Design and the University of South Brittany to investigate this issue. First, the method used to carry out an experimental compression fatigue campaign on high modulus carbon fibre composite materials with epoxy resin will be described. In a second step, the results of the campaign will be presented and discussed. Mots clefs : composite ; sandwich ; CFRP ; compression ; fatigue ; résistance résiduelle ; essais mécaniques ; flexion 4 points 1 Introduction Les matériaux composites, dont l’utilisation s’est démocratisée dans le secteur des transports, sont omniprésents dans le secteur du nautisme de compétition. Ces matériaux hautes performances font, aujourd’hui encore, l’objet de nombreuses études afin de fiabiliser et optimiser leur dimensionnement. Le bureau d’étude GSea Design s’appuie sur plus de 25 ans d’expérience, notamment dans le nautisme de compétition, pour allier performance et fiabilité des structures composites. C’est avec l’objectif d’améliorer sa boucle de dimensionnement que la société a réalisé, en collaboration avec l’Institut de Recherche Dupuy de Lôme et le plateau technique Compositic de Lorient, une étude sur la fatigue en compression des matériaux composites hautes performances. Pendant longtemps il a été admis, dans le milieu du nautisme, que ces matériaux n’étaient pas sensibles aux phénomènes de fatigue. Pourtant, l’expérience semble avoir montré des ruptures en service, où l’hypothèse d’une cause liée à la fatigue a resurgi. Il est alors nécessaire d’investiguer sur la capacité de ces matériaux à résister à la propagation d’endommagement au sein de la structure. Un trimaran est constitué de structures minces et élancées généralement soumises à des chargements de flexion. Ceci implique qu’une partie de la section de la structure est soumise à un chargement de compression et l’autre partie à un chargement de traction. Les matériaux composites constitués de fibres de carbone et de résine époxy ont la spécificité d’avoir une résistance en traction nettement plus importante que la résistance en compression. De ce fait, le dimensionnement de ce type de structure peut, dans certain cas, se réduire à un dimensionnement en compression. L’étude de fatigue, faisant l’objet de cet article, s’est intéressée à la fatigue sous chargement de compression de pli unidirectionnels composés de fibres de carbone haut module et d’une résine époxy à basse température de transition vitreuse (120°C). Cet article décrit, dans un premier temps, la conception d’un montage dédié à la réalisation d’une campagne expérimentale de fatigue en compression sur des matériaux composites à fibres de carbone haut module avec résine époxy. Dans un second temps, les résultats de la campagne seront présentés et discutés. 24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 2. Conception d’un montage dédié Pour soumettre une structure à un effort de compression, différentes méthodes peuvent être utilisées. La bibliographie nous conduit à trois principales méthodes concernant les CFRP : - Essai de compression uni-axiale (ASTM D695 ; ASTM D3410) - Essai de flexion 3 points (ASTM D790) - Essai de flexion 4 points (ASTM D6272 ; ASTM C393 ; ASTM D5467) Il a été démontré lors d’une étude européenne réalisée dans le cadre du programme GARTEUR [1], une dispersion importante des mesures de résistance lorsque l’essai de compression uni-axiale était utilisé. D’autres études comme celle de [2] ont démontré que l’essai de compression uni-axiale n’était pas approprié pour des matériaux qui ont un fort degré d’anisotropie comme c’est le cas pour le matériau composite carbone/époxy. Il existe alors des solutions alternatives comme l’essai de flexion trois points ou l’essai de flexion quatre points sur stratifiés monolithiques. Le premier est difficile à exploiter puisque la zone de compression se trouve sous l’appui central. Le champ de contrainte est donc perturbé par les conditions aux limites, le dépouillement de ce type d’essai n’est donc pas trivial. Le second permet quant à lui d’offrir une zone, entre les appuis centraux, où la flexion est pure [3]. Ainsi, dans cette zone, la face de l’éprouvette où s’appliquent les efforts sera en compression pure et la face opposée sera en traction pure. Le champ de déformation est supposé linéaire dans l’épaisseur puisque les déformations sont faibles (de l’ordre de 0,6% à rupture). C’est pourquoi, dans le cadre de notre étude, l’essai de flexion quatre points a été utilisé. De plus, afin d’obtenir une zone en compression pure, une éprouvette ayant une structure sandwich a été conçue. En effet, ce type de structure permet d’avoir une peau en compression quasi pure et une peau en traction quasi pure. La rupture en compression est due à une instabilité locale conduisant à un micro-flambage plastique [4]. Il convient d’apporter une attention particulière au dimensionnement de l’éprouvette afin de garantir une rupture en compression et s’affranchir de tout autre mode de rupture comme par exemple le délaminage, une rupture de l’âme en cisaillement ou une rupture par effet de bord sous les rouleaux permettant l’application des efforts. L’ensemble des points critiques a pu être vérifié grâce à une modélisation par la méthode des éléments finis de l’essai de flexion quatre points. Le modèle a également permis d’observer l’influence de certains paramètres comme la hauteur d’âme, la composition de l’empilement ou encore le matériau utilisé pour l’âme [5]. 24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 L’étude numérique nous a alors permis de converger vers la géométrie d’éprouvette suivante : Figure 1 : dimensions de l'éprouvette Comme le montre la Figure 1, l’éprouvette possède une âme constituée de nid d’abeilles et d’une pâte densifiée introduite à l’état liquide dans les alvéoles du nid d’abeilles puis l’ensemble est cuit afin d’obtenir un volume solide. L’âme de la partie centrale de l’éprouvette, sur une longueur de 65mm, n’est constituée que du nid d’abeilles. En effet, la pâte densifiée permet d’augmenter sensiblement les propriétés mécaniques en cisaillement de l’âme, elle est donc nécessaire, hormis dans la zone centrale dénuée de cisaillement. Les peaux sont fabriquées à partir de nappes de pré-imprégnées constituées de fibres de carbone haut module HR40 Mitsubishi et d’une résine époxy à basse température de transition vitreuse Structil R367-2 (120°C). L’empilement de l’éprouvette est le suivant : [+45° / -45° / 04° / -45° / +45° / âme / +45° / -45° / 04° / -45° / +45°] Tableau 1 : empilement de l’éprouvette Les propriétés des matériaux sont les suivantes : EL (GPa) ET (GPa) ν12 (-) Glt (GPa) Gtt (GPa) 191 7 0,27 3,4 3 Tableau 2 : propriétés uploads/Ingenierie_Lourd/ cfm-2019 1 .pdf