Experimental and Numerical Analysis of Impact Damage Progression in Sandwich Structures Designated for Stay Vane Extensions in Hydraulic Turbines

Après des décennies de fonctionnement, une réhabilitation majeure des turbines hydrauliques existantes est nécessaire pour maximiser leur efficacité et leur rendement. Pour atteindre cet objectif, la meilleure solution est de modifier les profils hydrauliques d'avant-directrice en ajoutant une extension en matériaux composites. Malgré leur utilisation croissante, les matériaux composites sont sensibles aux dommages causés par les objets extérieurs. La détection des dommages internes, la prédiction de la propagation de dommages et l'amélioration de la résistance aux dommages restent la principale préoccupation dans le domaine des matériaux composites. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier, à l'aide d'outils expérimentaux et numériques, la résistance aux dommages des panneaux sandwich avec une âme hybride soumise aux impacts à faible vitesse. Le comportement de structures sandwiches soumises aux impacts à faible vitesse a été évalué en termes de force de contact, d'absorption d'énergie, de propagation des dommages et de modes de rupture. En premier lieu, la réponse au choc de la peau du sandwich fabriquée avec un stratifié non-tissé (NCF) a été étudiée à l'aide d'une tour de chute instrumentée. Un modèle 3D de viscoplastique-dommage a été développé pour prédire la propagation de dommages dans un stratifié NCF. Le modèle numérique a été implémenté dans le logiciel de calcul d'éléments finis LS-DYNA/explicit. Le comportement non-linéaire en cisaillement du modèle proposé a été défini en considérant la dépendance au taux de déformation et la charge d'inversion symétrique. L'efficacité et la précision du modèle ont été vérifiées en comparant les résultats numériques avec ceux obtenus à partir des essais de cisaillement et des essais d'impact à faible vitesse. De plus, les effets de vitesse de déformation sur la résistance aux dommages des stratifiés NCF a été étudié. En second lieu, des analyses expérimentales et numériques pour structures sandwiches avec une âme en ATH/époxy soumises aux impacts à haute énergie et à faible vitesse ont été réalisées. La raison de cette recherche est que pour une nouvelle solution de réhabilitation de la turbine est fortement requis d'utiliser des matériaux qui peuvent absorber les charges d'impact à haute énergie et préserver un niveau d'intégrité structurale élevé. vi

Abstract

After decades of operation, a major rehabilitation of existing hydraulic turbines is required to maximize their efficiency and output. To achieve this aim, the best solution is to modify the hydraulic profiles of stay vanes by adding composite extension structures to the original stay vanes. Nowadays, composite materials have found their way into different industrial fields due to their advantage over metals or metal alloys. Despite their increasing use, composite materials are sensitive to impact damage induced by foreign objects. Detecting internal damage, predicting damage progression and improving damage resistance is still the major concern of composite materials. The main objective of this thesis was to investigate low-velocity impact damage resistance of sandwich panels with a hybrid core using experimental and numerical tools. The impact behavior of sandwich panels was evaluated in terms of contact force, energy absorption, damage propagation and failure modes. First, the impact response of sandwich face sheets made with non-crimp fabrics (NCF) laminate was studied using an instrumented drop weight impact machine. A 3D viscoplastic-damage model was developed to predict damage growth in NCF laminate. The numerical model was implemented in LS-DYNA/explicit. The nonlinear shear-strain behaviour of numerical model was defined by considering the strain rate dependence and symmetric reversal load. Efficiency and accuracy of the model were verified by comparing the numerical results with the experimental results obtained from shear tests and low-velocity impact tests. In addition, the effects of strain rate on impact resistance of NCF laminate was studied. Second, experimental and numerical analysis of ATH/epoxy core sandwich panels subjected to low-velocity impact loads were performed. The reason for this investigation is that, for a new solution of turbine rehabilitation is strongly required to choose the composition materials which can absorb higher impact loads and preserve a high margin of structural integrity. The numerical model includes a viscoplastic model for describing the ATH/epoxy core behavior. The capability of the proposed model in the prediction of damage growth was demonstrated by comparing the numerical results with experimental data. Additionally, the contribution of each sandwich component in energy absorption was evaluated.