De la recherche fondamentale au partenariat industriel

T2DC

Tenue aux Dommages et Durabilité des Composites (T2DC)

Présentation

Thématique(s) et objectifs : Le thème porte sur la modélisation multi-échelle et multi-niveau de la défaillance de composites sous sollicitations mécaniques et environnementales complexes. Ses objectifs concernent le développement de modèles de tenue aux dommages initiaux et induits dans le cas de chargements statiques ou dynamiques cycliques.

Spécificités et points forts : Les points forts du thème résident dans sa capacité à réaliser des expériences originales sur des éprouvettes structurales ou technologiques et sous sollicitations multiaxiales de type Traction/Compression - Pression interne - Pression externe - Torsion. Les moyens de mesure et de contrôle dont il dispose lui permettent, notamment, une investigation du comportement aux différentes échelles du matériau. Les membres du thème possèdent, par ailleurs, une expérience reconnue dans le domaine de la modélisation mécanique et du développement numérique EF. Ce qui permet une approche intégrée des sujets traités. En particulier, le sujet de la fatigue multiaxiale de composites à matrices organique bénéficie, en partenariat avec la société ALSTOM, d’un financement ANR depuis 2009. Sur ce sujet, on recense dans les bases de données internationales moins de 40 articles expérimentaux depuis 1997 et la contribution d’une dizaine de laboratoires à travers le monde : Alberta, Canada (1), Braunschweig et Dresden, Allemagne (2), Ferrara et Padova, Italie (2), Kyoto, Japon (1), Texas, USA (2), X’ian, Chine (1).

Chercheurs permanents : Cécile BERRIET, Lamine BOUBAKAR, Violaine GUICHERET-RETEL, Vincent PLACET, Frédérique TRIVAUDEY

Mots clés

Polymères thermodurcissables/thermoplastiques, Renforts, Charges, Fatigue
multi-axiale, Sollicitations environnementales, Optimisation d’essais, CND des dommages, Caractérisation et modélisation multi-échelles, identification en données restreintes, Champs aléatoires nominaux, variabilité spatiale, fiabilité.

Bilan de l'activité scientifique 06 – 09

Résultats marquants du quadriennal : Durant la période 2006-2009, les travaux réalisés ont porté principalement sur le développement d’une plate-forme logiciels pour la conception et l’optimisation fiabiliste de structures composites fortement non-linéaires. Ces travaux ont été conduits en partie dans le cadre d’un projet intitulé « Analyse Multi-Echelle : Recherches Innovantes pour les COmposites à matrice organique » (AMERICO). Ce projet auquel ont participé 5 laboratoires nationaux et autant d’industriels des secteurs de l’aéronautique et de l’armement était piloté par l’ONERA et financé par la DGA. Pour leur part, les travaux sur la fatigue multiaxiale des composites n’ont été initiés que très récemment au sein du thème et bénéficient d’un financement ANR depuis 2009. Ils font suite aux études entamées sur le développement de modèles prédictifs multi-échelles et l’évaluation des champs aléatoires nominaux pour une approche stochastique de la tenue des structures composites. Les premières réalisations concernent le volet expérimental :

-Adaptation d’une machine d’essais multiaxiale à des matériaux composites (électronique te logiciels de pilotage, systèmes d’ancrage pour éprouvettes structurales, instrumentation) ;

-Acquisition et prise en main d’un système de CND par émission acoustique pour le suivi et la localisation des dommages dans des éprouvettes sollicitées en fatigue ;

-Développement d’un logiciel permettant le suivi continu de l’évolution des modules élastiques et viscoélastiques en fatigue multiaxiale ;

-Développement d’un banc de fatigue avec cellule de vieillissement accéléré en sollicitations environnementales cycliques (température, humidité relative, rayons UV).

Parallèlement aux travaux sur la fatigue, et comme une alternative sérieuse aux fibres de verre, le thème a entrepris, en collaboration avec le LERFOB de Nancy, l’étude et la caractérisation mécanique du comportement de fibres naturelles végétales. Un point saillant sur ce sujet reste le lien entre l’organisation de la fibre à l’échelle microstructurale et ses propriétés apparentes. Le développement, pour une fibre unitaire, d’un banc d’essais de tractions quasi-statique et harmonique sous environnement contrôlé en température et humidité relative a permis de mettre en évidence une augmentation de la rigidité de la fibre lors d’essais de fatigue. Un résultat marquant est la mise au point d’un procédé combinant des sollicitations mécaniques et des variations hygrothermiques pour obtenir une augmentation sensible du module élastique longitudinal. Cette augmentation qui peut atteindre 350% est attribuée à la réorientation des microfibrilles de cellulose au cours des sollicitations mécaniques périodiques.

Projet scientifique

    Enjeux sociétaux : L’utilisation de structures en matériaux composites autorise des gains de masse qui contribuent, pour l’environnement, à la diminution des rejets polluants et pour les transporteurs, à la réduction des coûts d’exploitation. Les futurs enjeux pour l’industrie aéronautique civile, par exemple, portent sur le développement d’avions majoritairement composites, avec une perspective de production de près de 15 000 nouveaux véhicules court-courriers d’ici 2020.

    Enjeux scientifiques : Dans le cas des composites, les structures sont élaborées à partir de leurs constituants de base et peuvent compter des discontinuités de différentes natures (reprise de plis, surépaisseurs, perforations, entailles, etc…). Ces particularités justifient des approches multi-échelles et multi-niveaux de leur comportement. Si les développements les plus actuels montrent des progrès notables en matière de modélisation, la prédiction du comportement des composites en zones singulières et sous sollicitations multiaxiales complexes restent des domaines encore ouverts. La tenue aux dommages initiaux et/ou induits est un critère dimensionnant des structures et son évaluation nécessite des approches qui tiennent compte de la taille des dommages et de cas de sollicitations complexes. Dans la perspective de développer une démarche universelle de dimensionnement de composites, il est nécessaire également de prendre en compte les phases d’élaboration et d’exploitation de la structure dans sont environnement.

    Objectifs de recherche envisagés : 3 objectifs ont été identifiés pour conduire des travaux exploratoires et mener à bien les projets du thème.

  • Objectif 1 : Poursuivre l’investigation expérimentale du comportement en fatigue multiaxiale de composites à matrices organiques thermodurcissables et développer les modélisations mécaniques et numériques aux différentes échelles du matériau et de la structure pour la prédiction du potentiel restant sous sollicitation dynamique cyclique.

    • Atouts, opportunité, et positionnement : Le thème possède des moyens d’essais et de mesures exceptionnels. Il compte également des compétences tant sur le volet expérimental que sur ceux de la modélisation mécanique et de la modélisation numérique. Ce qui lui permet de conduire ses travaux de façon intégrée.
    Dans un contexte qui pousse de plus en plus à l’utilisation de solutions composites innovantes, la maîtrise du comportement de ces matériaux pour une utilisation optimale sécurisée exige une connaissance toujours plus fine de leur comportement. C’est cette exigence qui motive la plupart des travaux actuels sur la tenue aux dommages initiaux et induits. Parmi ceux-là, la fatigue multiaxiale reste un sujet difficile sur lequel se sont penchés une dizaine de laboratoires à travers le monde pour une production qui reste somme toute modeste.

  • Objectif 2 : Poursuivre l’investigation du comportement de matériaux issus de la biomasse, en particulier celui de fibres naturelles végétales.

    • Atouts, opportunité, et positionnement : Les moyens d’essais développés de façon originale autour d’un Analyseur Mécanique Dynamique doté d’un système haute résolution ont permis de mettre en évidence un phénomène de rigidification sous sollicitations cycliques qui peut conditionner la tenue en fatigue de structures composites. Un travail important, tant expérimental que numérique, reste à faire toutefois pour accéder à des modèles de comportement de composites renforcés par des fibres végétales.
    Les fibres naturelles végétales représentent aujourd’hui une alternative intéressante et prometteuse aux fibres de verre. Elles cumulent de nombreux atouts (ressources renouvelables et abondantes, faible coût, propriétés mécaniques spécifiques élevées) et leur utilisation comme renfort dans des matériaux à hautes performances mécaniques requiert une bonne compréhension du comportement des fibres élémentaire. Au niveau national, on recense 5 laboratoires travaillant sur des sujets proches contre une dizaine à travers le monde.

  • Objectif 3 : Etudier les effets de la réparation et du recyclage sur le comportement élasto-dissipatif de polymères thermoplastiques.

    • Atouts, opportunité, et positionnement : Outre les moyens d’essais déjà cités plus haut, un banc de fluage sous environnement contrôlé en température et humidité relative a été développé récemment pour l’étude de polymères thermoplastiques. Les progrès de la chimie permettent aujourd’hui d’envisager ces matériaux aux propriétés remarquables comme une alternative « écologique » aux thermodurcissables. Sur ce sujet, les travaux du thème s’inscrivent, d’une part, dans le cadre d’un projet portant sur l’étude du recyclage de polypropylènes chargés et d’autre part sur le comportement en fatigue de composites à matrice thermoplastique renforcée par des fibres longue de carbone. Le premier projet, auquel participent 5 laboratoires nationaux et 2 industriels du secteur automobile, est financé par l’ADEME et la Région Franche-Comté. Le second est financé par ALSTOM-Transport.

Contact

Lamine BOUBAKAR
03 81 66 60 17
lamine.boubakar@univ-fcomte.fr

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