See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/228636251 Etude des performances des structures composites réparées Article · January 2006 CITATIONS READS 0 386 4 authors, including: Romain Brossier Xiaojing Gong University Grenoble Alpes Clément Ader Institute 200 PUBLICATIONS 2,196 CITATIONS 16 PUBLICATIONS 108 CITATIONS SEE PROFILE SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Downsampling Plus Interpolation for Wavefield Reconstruction by Reverse Propagation View project Efficient 3D viscoelastic FWI using Spectral Element Method View project All content following this page was uploaded by Romain Brossier on 16 May 2014. The user has requested enhancement of the downloaded file. 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, [email protected] 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. MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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 ». MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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 : MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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. MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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. MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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 ». MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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%. MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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 MATERIAUX 2006 13-17 Novembre 2006 – Dijon, France 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 View publication stats
