Résistance à la compression et au flambage des composites carbone/époxy à rigidité variable fabriqués par le procédé de placement automatique des fibres

La solution composite suscite un intérêt accru sans cesse croissant auprès de constructeurs aéronautiques, soucieux d'allier une faible consommation de carburant avec une bonne performance mécanique des composants d'aéronefs. Les composites à rigidité variable, où les fibres sont déposées selon les directions des efforts mécaniques, permettent d'ajuster les propriétés des produits finis aux exigences spécifiques d'une application donnée. Il est toutefois difficilement envisageable de placer manuellement des fibres suivant des trajectoires curvilignes du fait qu'une grande précision est indispensable. Plus récemment, l'arrivée des machines de placement automatique des fibres a rendue possible la construction de structures composites à rigidité variable, et cela avec un haut niveau de précision, de fiabilité et une meilleure reproductibilité. Toutefois, à cause de certaines caractéristiques spécifiques au procédé de placement automatique des fibres, des défauts surviennent sous forme des espacements (des gaps) et/ou des chevauchements (des over-laps) dans le produit fini. Ces défauts de fabrication soulèvent certaines inquiétudes chez les utilisateurs des matériaux composites qui se posent la question de savoir quel sera l'impact de ces défauts sur les performances mécaniques de leurs structures. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet industriel CRIAQ, et se penche sur l'étude de l'effet des défauts intrinsèques au procédé de dépose automatisé des fibres sur les propriétés mécaniques en compression des matériaux composites. Dans un premier temps, l'effet des défauts de fabrication sur la résistance à la rupture en compression des stratifiés composites traditionnels contenant un trou central a été étudié expérimentalement et numériquement. Des tests de compression ont été réalisés selon les recommandations de la norme ASTM D6484 sur des échantillons troués de dimensions normalisées, contenant des défauts de nature, d'orientation et d'emplacement différents. L'analyse des résultats de ces essais montre que l'effet d'un défaut dépend autant de sa nature que de son emplacement par rapport au centre du trou. Par ailleurs, une approche numérique basée sur la méthode d'analyse de la rupture progressive a été proposée afin de développer un modèle numérique capable de prédire l'effet des défauts de fabrication sur la résistance à la rupture des stratifiés conventionnels. Une bonne corrélation a été trouvée entre les prédictions issues de ce modèle et les données expérimentales. Ce modèle numérique a été ensuite utilisé pour réaliser une étude paramétrique portant sur l'influence du nombre des défauts ainsi que la largeur d'échantillon sur la résistance à la rupture.

Abstract

Variable stiffness designs, wherein the fibers are steered along curvilinear paths, allow the composite to be tailored to a wider range of properties compared to the conventional straight fiber laminates. The development of automated fiber placement machines enables the manufacturing of variable stiffness composite laminates with high accuracy, reliability, and better reproducibility. However, certain defects having the form of gaps (i.e., resin-rich areas) and/or overlaps (i.e., fiber-rich areas) are likely to occur inside the final product due to some specific features related to the manufacturing process. These manufacturing defects can have negative effects on the structural performance of variable stiffness laminated composites. Therefore, elucidating the effects of these defects is essential for the development of this promising design. The present thesis addresses specific inherent defects induced by the automated fiber placement process. The main objective of this work was to investigate the effect of these defects on the compressive mechanical properties of composite laminates. This research project is part of a global project CRIAQ COMP-413 entitled: “Optimum Design of Steered-Tow Composite Structures via Characterization of Automated Fiber Placement Induced Defects”. The contribution of this thesis can be summarized as follow : First, the effect of manufacturing defects on the open hole compression (OHC) strength of conventional composite laminates was experimentally and numerically studied. In the experiment part, several OHC tests were performed on a quasi-isotropic [45/0/-45/90]3s laminate containing gaps or overlaps oriented at 0° or 90° and centered on or shifted near the hole. It was concluded that the effect of defects depends as much on their type as on their location relative to the hole center. In the numerical part, a two-imensional numerical model that simulates the presence of the gaps and overlaps and predicts their effects on the OHC strength was proposed. A good correlation was found between the experimental data and the numerical predictions. The numerical model was then used to perform a parametric analysis to examine the effect of the number of defects as well as the specimen width on the OHC strength. The obtained results of this parametric analysis have supported the possibility of optimizing embedded defects in regard to defect size and spatial distribution for better composite structure design. Second, a detailed experimental investigation was conducted to characterize the buckling behavior of simply-supported variable stiffness composite laminates subjected to a uniform end-shortening.