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Etude des performances des structures composites r

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Etude des performances des structures composites réparées
Article · January 2006
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Romain Brossier
Xiaojing Gong
University Grenoble Alpes
Clément Ader Institute
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MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France
Etude des performances des structures composites réparées
Julien Rodes, Romain Brossier, Xiao-Jing Gong, Jérôme Rousseau
Laboratoire de Recherche en Mécanique et Acoustique, ISAT Nevers, xiao-jing.gong@u-bourgogne.fr
RESUME :
L’étude s’inscrit dans le contexte de l’optimisation de la réparation des structures composites
carbone/époxyde. Une stratification quasi isotrope comportant 8 plis, vierge et endommagée par impact, est
caractérisée expérimentalement en traction statique et en fatigue. Les éprouvettes endommagées ont été
réparées selon différents protocoles utilisant le collage de patchs, afin de rétablir leurs performances à la fois
en statique et en fatigue, en tenant compte des aspects pratiques et économiques. On étudie l’influence de
différents paramètres, tels que la nature des patchs, leur séquence d’empilement et leur géométrie, sur les
performances des structures réparées. Les mécanismes de rupture des éprouvettes réparées sont étudiés à
l’aide de méthodes de contrôle non destructif telles que le contrôle par ultrasons (C-Scan) et la
thermographie infrarouge. Une modélisation numérique par éléments finis a permis de dégager certains
paramètres importants en vue d’optimiser la réparation. Les solutions retenues sont testées et comparées
afin de discuter la validité et les limites de ces méthodes de réparation.
MOTS-CLES : composites stratifiés – réparation – fatigue – modélisation numérique
Introduction
Le développement de l’utilisation des matériaux composites pour la réalisation de structures pose le
problème de leur cycle de vie et notamment des endommagements accidentels auxquels ils peuvent être
soumis. Dans le cas des endommagements d’impacts basse vitesse, du type chute d’outil, on peut observer
une réduction des performances mécaniques des structures, notamment de leur résistance en fatigue.
Plutôt que de remplacer des structures qui peuvent être de grandes dimensions, il est plus
économique d’envisager de réparer ces dommages d’impact afin de redonner aux pièces composites leurs
propriétés originelles. Cependant, les techniques de réparation couramment utilisées, notamment dans le
domaine aéronautique, réclament un savoir faire important et sont souvent d’une mise en œuvre complexe.
Cette complexité représente un obstacle pour le développement de structures composites en grandes
séries.
Nous présentons ici un travail préliminaire visant à déterminer l’efficacité de protocoles de réparation
simplifiés, et notamment l’influence de la géométrie et de la stratification des patchs de réparation. Dans un
premier temps, l’étude de la rupture en traction statique et en fatigue des éprouvettes vierges est présentée.
L’endommagement est simulé ensuite par un perçage permettant de retirer totalement la zone impactée.
Ces éprouvettes trouées sont également caractérisées, puis on étudie expérimentalement les performances
de divers protocoles de réparation. Parallèlement, une étude numérique permet de dégager certains
paramètres géométriques et matériels influents, ainsi que de proposer et valider des solutions originales.
MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France
Matériaux et essais
Eprouvettes
Les éprouvettes utilisées pour cette étude sont fabriquées à partir d’un préimprégné de fibres de
carbone haute résistance de type T600S/R368-1. La stratification comporte 8 plis selon la séquence
[45/-45/0/90]S qui conduit à un comportement quasi isotrope en membrane. L’épaisseur du stratifié obtenu
est de 1,7 mm.
Le choix de la largeur des éprouvettes doit tenir compte des capacités des machines disponibles
puisqu’on doit aller jusqu’à la rupture. Cependant, il est nécessaire d’avoir une largeur suffisante pour
appliquer une réparation. Une largeur de 50 mm résultant de ce compromis a donc été retenue. La longueur
des éprouvettes est de 250 mm. Des talons de dimensions 50 x 50 x 2,5 mm sont collés à chaque extrémité,
pour limiter les concentrations de contraintes au niveau des mors. La longueur utile obtenue est donc de 150
mm.
Essais
Les tests quasi-statiques sont effectués sur une machine d’essais DY36 équipée d’une cellule de
force de 100 kN. La vitesse de déplacement imposé est de 1 mm/min.
Les essais dynamiques sont menés sur une machine hydraulique MTS également équipée d’une
cellule de 100 kN. Les essais sont pilotés en force, pour différents pourcentages de la charge ultime statique
sous sollicitations sinusoïdales de 3 Hz, en Traction/Traction avec un rapport de charge R=0,1.
Afin de prendre en compte la nature très dispersée des essais de fatigue dont les résultats s’étalent
généralement sur un ou deux ordres de grandeurs, une moyenne logarithmique est utilisée pour chaque
niveau de charge afin de donner une pondération logarithmique à chaque éprouvette.
Les essais sont stoppés à 1 million de cycles si la rupture n’est pas intervenue.
Réparation
La réparation est réalisée sur des éprouvettes préalablement trouées. En effet le perçage simule
l’opération de l’enlèvement de la zone endommagée qui a pour but de stopper les propagations de fissures
dans la structure. Un trou de 10 mm de diamètre est réalisé par opération de contournage à l’aide d’une
fraise carbure de 5 mm. Ces conditions permettent de générer un trou régulier sans amorces de
délaminage. Un contrôle par ultrasons réalisé autour du trou permet de vérifier qu’aucun délaminage n’est
généré par l’usinage.
La réparation en surface est alors réalisée selon deux méthodes différentes : par patchs appelés
« durs » ou « mous », suivant l’état du patch, polymérisé ou non, lors de son application.
Le patch « dur » provient d’une plaque du même matériau que l’éprouvette (carbone/époxy
T600S/R368-1), polymérisée selon le cycle classique de fabrication. Le patch est découpé selon le procédé
décrit plus haut pour le perçage. Les surfaces des patchs et de l’éprouvette sont ensuite préparées :
ponçage à l’aide d’un papier abrasif, nettoyage/dégraissage à l’acétone. Les patchs sont ensuite collés avec
une colle structurale époxy mono composant PERMABOND ESP 110. La colle est ensuite polymérisée à
chaud et sous pression.
Le patch « mou » est découpé dans un empilement de préimprégné non polymérisé. L’éprouvette
est ensuite préparée : déglaçage et dégraissage avant le positionnement du patch. L’ensemble
éprouvette/patch subit alors le cycle de polymérisation du préimprégné qui permet à la fois de solidifier le
patch et de le coller sur l’éprouvette.
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Modélisation Numérique
Pour la modélisation numérique des éprouvettes réparées, les solveurs MSC Marc et MSC Dytran
ont été utilisés. Le premier permet d’obtenir rapidement des résultats de rupture de premier pli mais est
inadapté à la modélisation d’une rupture progressive. Le second permet cette modélisation mais impose des
temps de calcul très important dès que la structure devient complexe, comme dans le cas d’une éprouvette
réparée.
Les calculs de structures réparées sont réalisés sur une « demie éprouvette » compte tenu des
conditions de symétrie. La géométrie et les conditions aux limites sont définies sur la figure 1. Une étude de
convergence a permis de déterminer un maillage adapté à appliquer autour du trou pour les configurations
trouées et réparées. Ce maillage est représenté également sur les figures 1 dans le cas de la modélisation
d’un patch circulaire.
Le matériau choisi pour la modélisation de l’éprouvette est un matériau orthotrope tridimensionnel
équivalent, afin de limiter le temps de calcul par rapport à une modélisation par éléments composites
tridimensionnels, tout en obtenant des résultats comparables. Les patchs de réparation sont modélisés par
des éléments composites afin de prendre en compte les spécificités des différentes stratifications à tester.
Un matériau homogène isotrope est choisi pour modéliser la couche de colle. Le calcul est réalisé dans le
domaine élastique linéaire. Cette modélisation correspond au cas des patchs « durs » où une couche de
colle est réellement appliquée. L’extension de ce modèle au cas des patchs mous peut se faire en
remplaçant la couche de colle par une fine couche de résine, à condition d’en connaître les caractéristiques
mécaniques et l’épaisseur. Il est vraisemblable cependant que les tendances observées, notamment en ce
qui concerne l’influence de la géométrie et de la nature des patchs, puissent s’appliquer qualitativement à
l’ensemble de la réparation par collage de patchs.
Figure 1 : Maillage et conditions aux limites
Résultats et Discussions
Essais statiques
1-Eprouvettes vierges et trouées
Huit éprouvettes vierges ont été testées en traction jusqu’à rupture afin de caractériser des
performances de référence. Le module d’Young apparent du stratifié est de 38,7 GPa (écart-type de 1,7
GPa) et la contrainte à rupture moyenne est de 623,4 MPa (écart-type de 36,1 MPa).
L’observation du scénario de rupture montre une rupture progressive du matériau avec une fissure
apparaissant pour une contrainte de l’ordre de 300 MPa, au bord de l’éprouvette et entre les couches
centrales à 90°. Cette fissure se propage entre les couches d’autant plus facilement qu’un couplage
traction/flexion apparaît dans les ensembles de quatre couches ainsi créés. La courbe
contrainte/déformation montre alors un comportement non linéaire assimilable à la rupture progressive des
plis à 45° et -45°. La rupture finale apparaît brut alement sans craquement préalable lors de la rupture
franche des plis à 0°. La figure 2 montre le faciès de rupture de cette configuration vierge en faisant
apparaître la rupture franche des plis à 0° et 90° tandis que les plis à 45° et -45° subissent une rup ture « en
peigne ».
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La figure 3 montre le délaminage important post-rupture significatif de la stratification choisie qualifié
de « délaminante » [1].
Figure 2 : Rupture de l’éprouvette vierge
Figure 3 : Délaminage de l’éprouvette
La configuration trouée est testée en rupture sur trois éprouvettes. La contrainte ultime calculée est
moyennée sur la section de la pièce vierge sans trou. En effet, cette contrainte fictive qui ne tient pas
compte de la matière enlevée (ou ajoutée pour la réparation) (Figure 4) permet de comparer les
performances à rupture des configurations vierges, trouées et réparées en s’affranchissant de la section
réelle et en se ramenant à une section de référence fictive.
Figure 4 : Section fictive : S=S1+S2+S3
La contrainte moyenne ultime est de 349,1 MPa (Ecart type de 15,6 MPa) pour la configuration
trouée, ce qui représente une perte de 44% de capacité à rupture pour 1/5ème de la section enlevée. Ces
résultats mettent bien en évidence la perte de résistance due aux importantes concentrations de contraintes
au bord du trou. Le scénario de rupture observé est similaire à celui de la configuration vierge. L’apparition
de la fissure centrale dans les couches à 90° précè de quelques craquements audibles avant la rupture
brutale de la pièce. Le faciès montre une rupture franche des plis à 0° et 90° et une rupture en peign e des
plis à 45° et -45°. La rupture intervient toujours dans la section du trou avec un angle global de rupture
compris entre 0° et 15° comme le montre la figure 5 .
Couche à 0°
Sigma 11 (MPa) a
420
Sigma XX Dytran
370
320
Sigma XX Marc
270
220
Sigma XX - Whitney &
Nuismer
170
120
5
10
15
20
25
Sigma XX - Plaque
isotrope
Distance (mm)
Figure 5 : Rupture d’une éprouvette trouée
Figure 6 : Concentration de contrainte au bord du trou
Des calculs analytiques et numériques ont été menés parallèlement. Le calcul analytique de la
configuration trouée est réalisé à partir d’un modèle de « plaque quasi-isotrope » et aussi à partir des
modèles de Whitney et Nuismer [1]. Une modélisation numérique par élément finis est également menée. La
figure 6 présente la variation de la contrainte de traction dans la couche à 0° en fonction de la dist ance par
rapport au centre du trou selon l’axe perpendiculaire à la charge. Une forte concentration de contrainte est
observée et les résultats analytiques sont légèrement supérieurs aux résultats numériques. Afin de tenir
compte de l’endommagement ou de la plastification au bord du trou, Whitney et Nuismer ont proposé un
critère de rupture nommé « Point Stress Criterion ». Il consiste à déterminer une distance d0, où la
contrainte : σ, est comparée à la résistance à la rupture globale du matériau : σx-rupture. Le facteur de
concentration de contrainte à cette distance est ainsi défini :
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Kt = σ / σ moy avec σ = σ x ( R + d 0 )
où R représente le rayon du trou. La difficulté réside dans la détermination de d0. Afin de comparer les
résultats obtenus par les différents modèles, la valeur de d0 proposée par Whitney et Nuismer [1] a été
utilisée ici. Ce choix peut être justifié par les caractéristiques très proches des matériaux étudiés mais aussi
par la stratification identique dans les deux études. Les résultats sont présentés dans le tableau 1. Il est à
noter que la valeur : σx-rupture est déterminée analytiquement selon le critère de Tsai-Wu. La charge critique
dans le tableau correspond à la sollicitation où σ= σx-rupture. Une bonne concordance entre ces modèles et le
résultat expérimental a été constatée.
Méthode
Ktrupture
Charge critique (MPa)
écart en %
Whitney &
Nuismer
2,17
323
7,45
Plaque
quasi -isotrope
2,07
338
3,13
Dytran
Marc
Expérimental
1,96
358
2,49
2,01
348
0,17
349
Tableau 1 : Résultats numériques et analytiques
2- Eprouvettes réparées par patchs « mous » et utilisation de « bouchons »
Le protocole de réparation par patchs « mous » a été le support d’une étude paramétrique ayant
pour objectif d’évaluer l’influence de la géométrie du patch.
Certains paramètres géométriques ont néanmoins été fixés pour l’ensemble des essais. En suivant
les recommandations de Soutis et al [2], [3] et [4], une configuration de joint collé, double recouvrement,
équilibré a été retenue. Cette configuration schématisée sur la figure 7 impose la condition :
E1t1 = 2 E2t 2
Avec E le module de Young et t l’épaisseur des substrats, l’indice 1 étant réservé à l’éprouvette et l’indice 2
aux patchs.
Pour satisfaire cette condition, les patchs sont fabriqués avec une épaisseur deux fois plus fine que
l’éprouvette et une même rigidité de membrane. Ainsi une stratification [45/-45/0/90] est choisie pour le
patch du dessus et [90/0/-45/45] pour celui du dessous. Le choix de cette combinaison de stratification
permet d’obtenir, une fois l’ensemble collé, une configuration non couplée.
La figure 8 présente les différentes formes de patchs testées : circulaire, carrée, elliptique
longitudinale et transversale. Les configurations circulaires sont les plus classiques car elles permettent de
conserver l’isotropie en membrane de la structure. Pour cette configuration, différents diamètres ont été
testés afin de quantifier l’influence de la surface collée sur la réparation. La configuration carrée a permis de
simuler une réparation sur la largeur totale de l’éprouvette afin de caractériser les performances du collage
des patchs. Les configurations elliptiques permettent de simuler un compromis entre des réparations
circulaires de diamètres différents et ainsi d’observer l’influence de l’orientation de l’ellipse et donc de la
répartition de la surface collée en fonction de la direction de la charge. Une configuration supplémentaire est
également testée : elliptique longitudinale avec ajout de goupilles (pins) dans la direction transverse z. Ces
goupilles en acier (pins) de diamètre 1 mm sont insérées dans deux trous, percés après la polymérisation
des patchs, afin de traverser de part en part l’éprouvette et les deux patchs. La localisation de ces pins est
visible sur la figure 8. Cette configuration permet de créer un assemblage mixte de type collage et arrêt
mécanique.
L’influence de « bouchons » composites a également été étudiée. Ce protocole de réparation
consiste à insérer dans le trou un empilement préimprégné non polymérisé ou seulement de la résine selon
la même stratification que celle de l’éprouvette à réparer. Ce bouchon est ensuite polymérisé en même
temps que les patchs.
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Circulaire
Carré
Elliptique
longitudinale
Elliptique
transversale
z pins
Figure 7 : Réparation en double recouvrement
Figure8: Géométrie des patchs utilisés
Les résultats des essais sur éprouvettes réparées sont comparés aux configurations de référence
(figure 9). La méthode de réparation la plus efficace est celle du patch carré, qui permet de retrouver à peu
près les performances originelles, au prix d’un ajout de matière plus important que pour les autres
méthodes. On constate que l’efficacité des patchs circulaires croît avec le diamètre utilisé. L’utilisation d’un
bouchon dans le cas du patch de diamètre 20 mm n’augmente pas significativement les performances.
Dans le cas des configurations elliptiques, on observe une forte influence de l’orientation de l’ellipse.
La configuration « ellipse longitudinale » donne de meilleurs résultats que la configuration « ellipse
transversale ». Enfin, l’utilisation de z-pins apporte une amélioration de la résistance pour cette configuration
elliptique.
Le scénario de rupture observé pour l’ensemble des structures réparées est le même : apparition de
la fissure et du délaminage central dans les plis à 90° vers 300 MPa, puis rupture de l’éprouvette. Ce tte
rupture intervient toujours dans la section du trou avec un décollage et une expulsion violente des patchs.
Des contrôles par ultrasons (C-Scan) sur plusieurs éprouvettes avant les essais statiques et après un
chargement non destructif montrent le décollage partiel des patchs après le chargement et expliquent en
partie la rupture violente. De plus le couplage en flexion intrinsèque aux stratifications de patchs choisies
(matrice B non nulle pour chaque patch) peut également expliquer le décollement brutal car la sollicitation de
traction dans le patch introduit une flexion qui engendre des contraintes de pelage à l’interface patchéprouvette.
700
vierge
trouée
contrainte à rupture MPa
600
diamètre 20 mm
500
400
300
diamètre 20
mm+bouchon
diamètre 30 mm
diamètre 35 mm
carré 50 mm
200
100
0
ellipse 20x35
transversale
ellipse 20x35
longitudinale
ellipse 20x35
longitudinale + Z pins
Figure 9 : Performances des différentes réparations
L’ensemble des résultats met en évidence la nécessité d’une surface de collage minimale des
patchs pour une bonne réparation. Les bouchons composites sont intéressants pour la mise en œuvre de la
réparation mais n’apportent pas réellement de gain de performances. Plusieurs études numériques [2, 3, 4]
ont pourtant mis en avant l’utilité de cette technique, mais expérimentalement, il est indispensable d’obtenir
un excellent collage du bouchon dans le trou si on souhaite que les efforts de traction soit repris par cette
pièce.
Les patchs elliptiques permettent d’optimiser l’utilisation du matériau pour la réparation mais
induisent une certaine anisotropie dans la structure. L’utilisation de z-pins quant à elle apparaît efficace, en
« canalisant » le flux d’effort afin de soulager le trou dans l’éprouvette. Cependant, cette technique reste
spécifique et complexe à mettre en œuvre.
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Les patchs « mous » semblent plutôt adaptés à des pièces de petites dimensions. En effet, ils
exigent un cycle de polymérisation complet du pli élémentaire. Les conditions de température et de pression
nécessaires peuvent représenter un obstacle pour la réparation de structures de grande taille.
3-Eprouvettes réparées par patchs « durs »
Dans le cas de la réparation par patchs durs, le paramètre étudié est la rigidité du matériau des
patchs. On le fait varier en modifiant la séquence d’empilement des stratifiés utilisés. La géométrie des
patchs est circulaire, de diamètre 35 mm. Ils sont collés sur l’éprouvette à l’aide d’une colle époxy
monocomposants (Permabond ESP 110). Le matériau des plis est le même que celui des éprouvettes et la
stratification comporte quatre plis. Deux séquences d’empilement différentes ont été testées : [0/90]S avec
un module équivalent de 55 GPa dans la direction de traction, et [45/-45]S conduisant à une structure
beaucoup plus souple (module de 12 GPa). On peut également remarquer que ces deux configurations de
patchs sont naturellement non couplées en flexion avec une matrice B nulle. On élimine donc les effets
possibles de couplage conduisant à des contraintes de pelage parasites dans le joint de colle.
Les résultats des essais sont comparés à la configuration de référence (figure 10). La contrainte à
rupture obtenue avec les patchs les moins rigides est de 25 % plus élevée. L’étude numérique montre
également que la concentration de contrainte au bord des trous diminue avec l’augmentation de rigidité des
patchs. Cependant, on constate que la concentration de contrainte aux extrémités des patchs alignées avec
la direction de traction augmente avec la rigidité des patchs. On peut en conclure que les zones les plus
critiques sont bien les extrémités des patchs (Figure 12).
Le scénario de rupture est similaire à ceux présentés précédemment. Un délaminage entre les plis à
90° apparaît vers 300 MPa. Avant la rupture, de nom breux craquements continus sont audibles, sans qu’il
soit possible d’attribuer leur provenance à une zone précise de la structure. La rupture intervient dans la
section du trou avec un décollement des patchs mais sans expulsion violente.
Contrainte à rupure
700
600
vierges
trouées
Patchs dur [0/90]s
500
Patchs dur [45/-45]s
400
300
200
100
0
Figure10 : Performance de la réparation par patchs durs
Figure 11 : Contraintes de la traction pour le patch rigide (à gauche) et le patch souple (à droite)
Les patchs « durs » présentent l’intérêt d’être de mise en œuvre aisée. Ils sont plus adaptés à une
utilisation pour des structures de grandes dimensions. Cependant, les performances de la structure réparée
restent bien en deçà de celles de la structure vierge, et sont également moins bonnes que celles obtenues
par réparation de type patchs « mous ».
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Il est sans doute possible d’optimiser la forme des patchs, ainsi que leur séquence d’empilement. Le
compromis à trouver consiste à éviter le décollement au sommet des patchs tout en évitant les
concentrations de contrainte au bord des trous (Figures 11 et 12).
Figure 12 : Zone critique des éprouvettes réparées par collage des patchs
Essais de fatigue
1-Eprouvettes vierges
Les essais de fatigue sur la configuration vierge sont réalisés sur 8 éprouvettes. Cinq sont chargées
avec une contrainte maximum de 80 % (474 MPa) de la contrainte ultime moyenne statique et trois à 60 %
(378 MPa).
L’observation du comportement des éprouvettes sous charge révèle d’une part l’apparition d’une
fissure latérale entre les plis à 90° et/ou aux int erfaces 0°/90°. Ces fissures qui apparaissent dès l es
premiers cycles, se propagent entre les plis pour créer un important couplage de flexion, comme le montre la
simulation numérique de la figure 13. Ce couplage introduit très certainement des modifications dans le
champ de contrainte. De plus la déformation de flexion de couplage étant alternative, des frottements
discontinus apparaissent et échauffent les parties en contact. Le couplage introduit par cette stratification
délaminante réduit donc certainement la durée de vie du matériau en fatigue. Le faciès de rupture montre
une zone plus étendue et plus endommagée que celle observée lors des essais statiques et montre ainsi la
nature bien différente de la sollicitation avec de nombreux frottement et arrachements. Les résultats de
durée de vie en fatigue sont représentés sur la figure 14. Une bonne résistance en fatigue de ces stratifiés
est observée, cette conclusion est cohérente avec les résultats publiés dans la littérature.
Figure 13 : Couplage tractionflexion du stratifié vierge
Figure 14 : Durée de vie en fatigue des stratifiés vierges
2-Eprouvettes réparées
Les essais de fatigue sur des structures réparées sont réalisés sur une configuration de patchs
mous circulaires de diamètre 35 mm. Trois niveaux de charge sont appliqués : 80 %, 60 % et 50 % de la
contrainte ultime statique (531 MPa) soit respectivement 425 MPa, 319 MPa et 265 MPa. Quatre
éprouvettes sont testées à 80% et deux à 60% et 50%.
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Deux scénarios de ruine différents se produisent lors des essais : Pour la sollicitation à 80 % de
charge soit 425 MPa, la contrainte maximum mise en jeu est supérieure à la contrainte ultime statique de la
configuration trouée. Dès les premiers chargements, la fissure centrale apparaît brutalement. La pièce est
sollicitée pendant peu de cycles avant que les patchs ne se décollent et entraînent la rupture brutale de la
pièce. Pour les chargements à 60 % et 50 %, le phénomène de décollement est moins rapide. Le
délaminage central apparaît très tôt mais de façon progressive et silencieuse. Entre 100 et 1000 cycles, le
décollement partiel des patchs est visible à l’œil nu, sur ses parties les plus chargées. Ce décollement est
également observable sur la courbe d’évolution de la rigidité (figure 15) où se produit en raison de ce
phénomène une chute soudaine et significative de module. La zone décollée tend à se stabiliser entre 40 %
et 60 % de la zone de recouvrement et la pièce subit alors les cycles dans cette configuration. Les patchs
jouent donc un double rôle : ils transmettent une partie de la charge par leur partie collée mais ils contribuent
également à la dégradation de l’éprouvette. En effet, les patchs sont naturellement couplés (matrice B non
nulle) et les parties décollées se courbent en flexion lors des sollicitations. Ces déformations sollicitent la
partie collée et l’éprouvette en induisant des contraintes hors plan. Ces contraintes engendrent un important
délaminage dans l’épaisseur de l’éprouvette à toutes les interfaces des plis, ce qui diminue les performances
en fatigue en apportant de nombreuses déformations parasites en flexion et un frottement important aux
interfaces. La photographie de la figure 16 montre le coté d’une éprouvette chargée à 60 %, après sa
rupture en fatigue. On peut y observer le délaminage occasionné par les patchs partiellement décollés.
M odule de Young (M Pa)
E=f(N)
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
1
10
100
1000
10000
100000
Nombre de Cycles
Figure 15 : Evolution du module d’Young
Figure 16 : Faciès de la rupture en fatigue d’une
pièce réparée par collage de patchs
Le contrôle par thermographie in situ lors des essais de fatigue permet de visualiser les zones
fortement contraintes de la réparation. Les figures 17A-C montrent l’évolution du champ de température
dans une éprouvette chargée à 80 %. Les zones fortement chargées dues aux discontinuités géométriques
aux extrémités des patchs dans la direction de traction et à proximité du trou sont bien visibles, et on peut
également constater le décollement progressif du patch.
A
B
Figure 17 : Evolution du champ de température
C
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Les essais de fatigue démontrent les bonnes performances en fatigue du matériau à l’état vierge,
mais les réparations effectuées conduisent à des résultats médiocres pour ce type de sollicitation. Une
réparation efficace à long terme est en effet très délicate à mettre en œuvre car elle doit combiner de
bonnes performances statiques et dans le même temps ne pas être source d’endommagement
supplémentaire pour la structure. La réparation mise en œuvre ici ne peut être qualifiée de performante mais
elle permet de mettre en avant les paramètres importants à considérer : un collage efficace et maîtrisé, un
patch au comportement neutre et donc non couplé, à géométrie optimisée dans le plan par rapport aux
directions d’efforts, et également hors plan pour limiter les discontinuités géométriques.
Conclusions
Cette étude a comparé différents protocoles de réparation de structures composites endommagées.
La tenue en traction statique et la durée de vie en fatigue des éprouvettes réparées par collage de patchs
ont été mesurées en faisant varier la nature des patchs, leur séquence d’empilement et leur géométrie. Les
principaux résultats obtenus montrent que :
•
•
•
•
•
la réparation par collage de patchs mous est plus difficile à maîtriser que celle par collage de
patchs durs. Dans ce dernier cas cependant, la qualité du joint collé joue un rôle primordial.
contrairement aux observations de certains auteurs, il est montré que la répartition des efforts
dans la structure réparée par collage de patchs ne peut pas être simulée de façon correcte par
une assimilation à un joint collé à double recouvrement. D’autre part, le remplissage du trou
percé n’améliore pas significativement la performance de la structure réparée.
les zones plus critiques se situent au bord du trou et aux extrémités longitudinales des patchs.
Le décollement des patchs dans ces zones est le mécanisme responsable de la rupture
prématurée.
les patchs les plus souples et ne présentant pas de couplage semblent les plus efficaces au vu
des résultats de cette étude. L’insertion de goupilles dans l’épaisseur (z-pins) permet également
d’améliorer la performance des réparations en soulageant la concentration de contrainte dans le
joint collé.
le décollement progressif des patchs conduit à une faible durée de vie en fatigue des structures
réparées par cette méthode.
Les essais réalisés ont concerné uniquement des sollicitations de traction. D’autres types de
sollicitation notamment la compression, peuvent se révéler plus critiques encore vis-à-vis de la propagation
de l’endommagement. Ils doivent également être pris en compte pour la mesure des performances d’un
protocole de réparation.
La réparation des matériaux composites demeure un problème complexe qui réclame
l’établissement de règles de dimensionnement appropriées. Les résultats présentés ont permis de mettre en
lumière l’importance de la répartition des efforts dans la structure réparée, en particulier dans le joint collé.
La réussite de la réparation par collage de patchs repose sur une conception permettant mieux répartir les
efforts tout en limitant l’apparition de concentrations de contrainte. La modélisation numérique constitue à ce
titre un outil indispensable pour la recherche de solutions optimisées.
References :
[1] J. Whitney et R. Nuismer« Uniaxial failure of composite laminates containing stress concentration »,
American Society for testing materials, STP 593, 1975
[2] C. Soutis, F. Z. Hu, « Design and performance of bonded patch
repairs of composite structure », Proc Instn Mech Engrs, Vol 211 Part G, 1997
[3] F. Z. Hu, C. Soutis, « Strength prediction of patch-repaired CFRP laminates loaded in compression » ,
Composites Science and Technology, 60, 1103-1114, 2000
[4] C. Soutis, D. M. Duan, P. Goutas « Compressive behaviour of CFRP laminates repaired with adhesively
bonded external patches », Composites Structures 45, 289-301, 1999
[5] T. J. Chotard, J. Pasquiet, M. L. Benzeggagh, « Residual performance of scarf patch-repaired pultruded
shapes initially impact damaged », Composite Structures, Vol. 53, N° 3, 317-331, 2001
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