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Languages: English
Types: Article
Subjects: Composites stratifiés, Mécanique de l’endommagement, Dynamique rapide, Comportement en Vitesse de déformation, Barres d’Hopkinson, Simulation numérique, Eléments finis cohésifs, Smoothed Particle Hydrodynamics, 620.1
Dans l'industrie aéronautique, les règles de conception et les critères de dimensionnement concernant la durabilité des structures composites impactées ne sont pas bien connus. Des outils numériques prédictifs et robustes doivent être développés pour réduire le temps de conception et les coûts de certification, mais aussi pour déterminer des liens entre le comportement matériau et le comportement global des structures. Dans ce cadre, il est visé dans cette étude de comparer des mesures de défauts d’impacts à celles de deux méthodes de prévisions numériques de dommages : l’une par modélisation d’une discontinuité géométrique modélisant un décollement de couches, l’autre sans modéliser l’ouverture mais par un modèle d’endommagement continu. Notre attention s’est portées sur deux types de matériaux unidirectionnel pré imprégnés en carbone/époxy : T700/M21S et T800/M21S ; pré imprégnés sensible à la vitesse de déformation en raison d'un pourcentage élevé de thermoplastique présent dans la résine M21. Des essais de caractérisation du comportement quasi statique et dynamique ont été effectués sur des stratifiés équilibrés de type [±θ]. Concernant les essais dynamiques au banc d’essai Hopkinson, une saturation de la fissuration des plis a été décrite et l'effet de la vitesse de déformation du T800/M21S a été établi jusqu'aux vitesses de déformation moyennes (1000 /s). Une loi cohésive a été développée pour modéliser le délaminage en dynamique rapide dans le code explicite non linéaire LS-DYNA®. Une loi d’endommagement des plis a été développée sur la base du modèle de Matzenmiller-Lubliner-Taylor. Ce modèle d’endommagement 3D permet par couplage de multi critères définissants des seuils d’endommagement, de modéliser la fissuration des couches des stratifiés et du délaminage de manière couplée. Les endommagements après impact relevés lors d’une campagne d’essais expérimental pour différentes vitesses d’impacts, sont comparés aux deux types de modèles numériques. Il apparaît que le modèle d’endommagement 3D développé prédit bien les zones endommagées, les tailles des délaminages et l’indentation résiduelle, alors que les modèles cohésifs sont plus diffusifs entraînant des délaminages plus isotropes. In the aerospace industry, composite structures design rules and admissible criteria are not well known for strength sustainability after impact induced damage. Predictive numerical tools are thought to be used to reduce design and certification time and costs, and to determine links between the inner behaviour of the material and the outer designable behaviour of structures. In this frame, it is aimed in this study to compare real tests damage measurements and two kinds of numerical damage predictions: one with geometrical openings for delamination discontinuity modelling, and one without any mesh opening that represents damage in a continuous way. Our attention is focused on two types of pre-impregnated unidirectional materials: T700/M21S and T800/M21S both strain rate sensitive because of a high percentage of thermoplastics in the M21 resin. Quasi-static and dynamic characterization tests have been carried out on balanced angle ply [±θ] laminates using Split Hopkinson’s Pressure Bars. A saturation of through ply cracking has been outlined and strain rate effect on T800/M21S coupons’ strength has been established up to medium strain rates (1000 /s). User defined cohesive finite elements are implemented in the non-linear explicit finite element analysis (FEA) code LS-DYNA® to model the dynamic delamination opening. At the same time a user defined deterministic continuous damage unidirectional composite material model is developed on the basis of the Matzenmiller-Lubliner-Taylor model widely used for woven composites. Initiation and growth of damage are predicted up to saturation and fracture for various pure and coupled damage mechanisms including delamination and matrix cracking, with criteria based on the experimental characterization. Impact induced damage from experimental measurements and numerical predictions are compared for T800/M21S aeronautical samples impacted at different energy levels. The effect on internal damage and residual indentations of 2 different masses and velocities has been evaluated. It is shown that the cohesive discontinuous delamination and the continuous damage coupling numerical models give both a good prediction of the global flexural behavior of the structure. Spatial extension in shape and dimensions of damage through the plates’ thickness is well predicted by the continuous model while the cohesive model is more diffusive leading to “isotropic” delamination predictions. Also, the continuous model gives better correlations between predicted and measured residual indentations after impact.

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