Caractérisation de matériaux composites à structure sandwich comportant des modifications.

Modifications of sandwich structures are fairly common in the aeronautic industry. This project focused on the study of mechanical properties of sandwich structures that underwent modifications. First, properties of sandwich beams with discontinuities in the honeycomb core were analyzed. Those discontinuities can be found in the manufacturing of large parts but their impact on flexural properties is not well documented. Two sizes of discontinuities have been studied: discontinuities without a gap and with a 2 mm gap. Four point bending tests were carried out in order to study the behaviour of such beams when the discontinuity is located in the shearing area. For small discontinuities, the change in stiffness is negligible and the failure mode is unchanged. However the flexural strength is lower. Chamfered panels with discontinuities in the core were also tested in four point bending and similar behaviour was observed. The structural stiffness is unchanged for discontinuities without a gap and for discontinuities with a gap as long as there are only a few. Failure occurs on the chamfer for all panels. The stiffness and flexural strength are lower for a panel with many gap discontinuities than for panels with few or no gap discontinuities. The second studied modification consists in the integration of a viscoelastic material in the skins of sandwich beams. This treatment is frequently used in the industry in order to damp the vibration of composite materials but few studies focus on their impact on mechanical properties. First, the Young's modulus of skins was studied and compared to skins with viscoelastic inserts. The insertion of viscoelastic material in the skin was found to leave the Young modulus unchanged. Subsequently, sandwich beams with inserts in skins were tested in three point bending. The longitudinal position of inserts was different for each beam. Two failure modes were observed with regards to the position of inserts. When inserts are located under the loading bar, the upper skin undergoes compression and the core fails in compression. In all other cases, the core fails in shear. Beams stiffness and flexural strength remain almost unchanged with inserts. The location of failure was not dependent upon the position of inserts. However, the maximum load at failure tended to be lower when inserts were located near the loading bar. Complex stress state near the loading bar explained this phenomenon. The third study focused on the modifications that viscoelastic materials (as seen in former study) undergo when they are included in composite materials manufacturing.

Résumé

Les modifications de structures sandwichs sont courantes dans l'industrie aéronautique. Ce projet s'est concentré sur l'étude des propriétés mécaniques de structures sandwichs ayant subit des modifications de trois natures différentes. Tout d'abord les propriétés de poutres sandwichs avec un noyau en nid d'abeille ont été analysées lorsque des discontinuités sont présentes dans le noyau. Ces discontinuités ont lieu lorsque deux pièces distinctes de nid d'abeille sont utilisées bout à bout pour former le noyau d'un même sandwich. Elles peuvent se retrouver lors de la fabrication de grandes pièces mais leur impact sur les propriétés en flexion est peu connu. Deux configurations ont été étudiées : des discontinuités sans espacement et avec 2 mm d'espacement. Des essais de flexion quatre points ont été réalisés afin d'étudier le comportement de telles poutres lorsque la discontinuité est située dans la zone en cisaillement. Pour les discontinuités étudiées, les modifications sur la rigidité sont négligeables et le mode de rupture des poutres est inchangé. Cependant, la résistance en flexion est légèrement plus faible. Par la suite, des panneaux chanfreinés comportant des discontinuités ont été testés en flexion quatre points et des comportements similaires ont été observés. La rigidité des structures n'est pas modifiée pour de petits défauts ou pour des défauts de grande taille si ces derniers sont peu nombreux. La rupture se produit sur le chanfrein pour tous les panneaux. La rigidité d'un panneau comportant de nombreuses discontinuités de grandes tailles est plus faible et la rupture se produit à un chargement moins élevé. La seconde modification étudiée consiste en l'intégration d'un matériau viscoélastique dans les peaux de poutres sandwichs. Ce type de traitement est fréquemment utilisé dans l'industrie pour amortir les vibrations des matériaux composites mais peu d'études traitent de leur impact sur les propriétés mécaniques. Tout d'abord, le module d'Young des peaux est investigué puis comparé à des peaux intégrant des matériaux viscoélastiques. On constate que l'insertion de matériau viscoélastique dans les peaux ne modifie pas le module d'Young des peaux. Par la suite, des poutres sandwichs comportant des inserts dans les peaux sont testées en flexion trois points. La position longitudinale des inserts est différente pour chaque poutre. Deux modes de rupture ont été observés en fonction de la position des inserts. Lorsque les inserts sont placés sous le poinçon de chargement, la peau supérieure subit une compression et le noyau rompt en compression. Dans tous les autres cas, la défaillance se produit par une rupture en cisaillement du noyau. La rigidité des poutres ainsi que leur résistance sont très peu altérées par la présence des inserts.