Conférence JEC 2010 - Caractérisation mécanique de

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Les essais mécaniques
sur composites
Philippe CASTAING
Ingénierie Polymères Composites
CETIM
[email protected]
JEC 2010
14 avril 2010 – Paris
Essais
Mécaniques
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Les matériaux composites de structure
Les matériaux composites par ex dans l’aéronautique
CFRP (TD matrice époxy): stratifiés en général équilibrés parfois avec
protection pli de verre (corrosion galvanique) - aéronautique
CTP pour applications moins « structurantes » et la plupart du temps
Essais
Mécaniques
encore à l’état de R&D (orientation
future
pour tenue à l’impact, à la
fatigue, au feu)
GFRP (TD Fibre de verre matrice polyester ou epoxy)
Sandwiches Nida avec diverses peaux (Aluminium, Carbone)
Des pièces de plus en plus structurantes
Essais
Mécaniques
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Les matériaux composites de structure
Fort module spécifique, gain de masse de 25/30 %, résistance au vieillissement, à la
fatigue
Hétérogénéité de structure (fabrication, défauts, …)
induisant
une variabilité des propriétés mécaniques
Des matériaux « composites »
au premier sens du terme…
(fibres, résine, colles,
assemblages…)
Matériaux orientés, fortement anisotropes (drapage)
Essais
Mécaniques
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Déclinaisons des essais
dans les processus industriel
Qualité: contre réception fournisseurs sur matériau
déjà qualifiés (adhésifs, résines, mèches…) :
Suivi des caractéristiques de pièces structurantes
à partir d’éprouvettes coupons issue d’ébauches:
contrôle qualité de la fabrication et suivi statistique
(MSP)
Production
R&T
Ingénierie d’essais (mise au point avec les B.E,
corrélation essais /calculs …)
Qualification nouveau matériau (coupons,
assemblages en structure)
R&D
Essais
Mécaniques
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Plan de qualification « en pyramide »
structure
Tests sur
sous
ensemble
Tests sur panneaux
Tests sur coupons
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Essais
Mécaniques Equipement d’un laboratoire d’essais mécaniques
• Machine d’essai « universelle »
ou particulière
• Machine d’essai « mobile »
(vérin hydraulique) pour de
l’ingénierie d’essai sur structure
• Montages d’essai et éprouvettes
• Instrumentation et moyen de
contrôle
• Enceinte de conditionnement et
d’essai
Equipement d’un laboratoire d’essais
Essais
Mécaniques mécaniques : mesure de déformation
Extensomètre :
•Rapidité et simplicité
d’utilisation
•Mesure macroscopique
moyenné
•Contact parfois non
négligeable sur
l’éprouvette
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Essais
Mécaniques
Equipement d’un laboratoire d’essais
mécaniques : mesure de déformation
Jauges d’extensométrie :
•Coût, temps et complexité d’utilisation
•Mesure localisé, à l’échelle de la grille
•Nécessité d’adaptation au matériau et
à l’essai (température d’essai; nombre,
taille et orientation des grilles etc..)
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Essais
Mécaniques
Equipement d’un laboratoire d’essais
mécaniques : mesure de déformation
Mesure optique :
• méthode sans contact, possibilité
d’automatiser
•Précision dépendant de la méthode
•Possibilité d’analyse poussée
(champs de déformation, stéréoscopie
pour déformation 3D)
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Essais
Mécaniques
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Caractérisation à l’échelle du matériau
Loi élastique : de 36 coefficients à 9 coefficients (composite
« orthotrope »), puis à 4 (si structure fine), contre 2 coefficients pour
les matériaux isotropes
Essais
Mécaniques
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Caractérisation à l’échelle du matériau
Matériaux non linéaire, critère de rupture : des grandeurs mécaniques
supplémentaires à caractériser
2
2
  332 ) ( 122   132   23
( 22
) ( 11 22   11 22 )  22 33



 T C
2
T
C
T C
T
C
T
C
X X
Y Y
Y Y
SC
X X Y Y
 112
1 
1 
 1
 1
  11  T  C    22   33  T  C   1
X 
Y 
X
Y
Exemple : Critère de rupture de Tsaï-WU : 5 coefficients
XT : résistance à la traction dans la direction 1
XC : résistance à la compression dans la direction 1
YT: résistance à la traction dans la direction 2
YC: résistance à la compression dans la direction 2
Sc : résistance au cisaillement
Essais
Mécaniques
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Caractérisation à l’échelle du matériau
Importance de la normalisation des essais :
• « Aucun essai n’est parfait » donc la valeur caractérisée dépend de la méthode
utilisée
• L’utilisateur final de la valeur n’a pas d’échange avec le laboratoire d’essai
• Définir les responsabilités de chacun
Importance de l’exploitation statistique des résultats
• A partir de la moyenne et de l’écart-type des résultats d’essais, on détermine un
«intervalle de confiance » du résultats, qu’il faut prendre en compte pour juger si une
différence mesurée est significative
différence non significative
Répartition
gaussienne des
résultats autour de
la valeur moyenne
différence significative
Essais
Mécaniques
Caractérisation à l’échelle du matériau :
Attention aux « effets structures »
Cisaillement plan : introduction de
flexion parasite
Compression : besoin d’un
montage stabilisateur
D’où la nécessité de développer des éprouvettes
« intelligentes » en fonction des besoins
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Essais
Mécaniques
Caractérisation à l’échelle du matériau :
exemple d’éprouvette intelligente
Caractérisation en compression d’un composite par essai de flexion
quatre points d’une structure sandwich :
• Possibilité de tester des éprouvettes de grandes tailles sans risque
de flambage (prise en compte des effets d’échelles)
• Minimisation et mesure des effets parasites (effort homogène, pas
de cisaillement transverse en surface…)
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Essais
Mécaniques
Essais avancés de caractérisation
d’une loi matériau : quelques exemples
Détermination de l’énergie
nécessaire au délaminage : G1C
P

a
Compression trouée (étude de la
concentration de contrainte) ou
après impact
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Essais
Mécaniques Caractérisation des structures sandwichs
Essai « tambour grimpant » pour
caractérisation du pelage
(décollement en traction de la colle)
Essai « carré Fokker » pour
caractérisation de la traction
sens 3 (épaisseur)
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Essais
Mécaniques
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Essais sur liaisons boulonnées, collées…
Obtention de ruptures complexes mêlant matage
du matériaux et endommagement de la fixation.
Essais
Mécaniques
Essais instrumentés sur structures :
écope en pression
Écope composite
carbone/epoxy.
Pilotage simultané en
pression/force le tout en
température
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Essais
Mécaniques
Essais instrumentés sur structures :
dépliage cornière
Montage spécifique
Données de sortie: contrainte ultime au dépliage, modes de fissuration
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Essais
Mécaniques
Caractérisation de structures (tubes)
• Compression longitudinale
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Essais
Mécaniques
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Caractérisation de structures (tubes)
• Flexion/compression
Essais
Mécaniques
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Caractérisation de structures (tubes)
• Flexion 4 points sur structure
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