Mechanical behaviour of woven composite under multiaxial loading conditions by using a modified arcan fixture
Étude numérique et expérimentale du comportement mécanique d'un composite tissé sous chargement multiaxial à l'aide d'un montage arcan modifié
Abstract
A coupled damage-plastic model was developed to characterize the non-linear behaviour of a twill woven epoxy-carbon composite. Vacuum infusion process was used to manufacture the composite plates. A series ASTM standard tests were conducted to obtain the material properties. A constitutive model based on continuum damage mechanics and coupled with isotropic hardening was developed. Model identification and validation have been done with the woven composite. The full material card was obtained. A Modified Arcan Fixture (MAF) was developed to study the biaxial mechanical behaviour of fibre reinforced composites. The optimized configuration of Arcan specimen was adopted to design the entire fixture numerically in preload and load steps to avoid plastic deformation. Stress concentration factor was considered in Arcan specimen under tensile loading. Failure modes under biaxial loading show that fibres rotated towards the principle tensile direction and failure was caused by excessive stress which reached fibre limit. The ultimate shear strength corrected by considering the fibre rotation effect are in good agreement with ASTM standard results. A series experimental and numerical investigations in terms of damage accumulation and plasticity were conducted. Local multiaxial stress states with different specimen configurations under tensile, shear and biaxial loadings were discussed. Tests considering off-axis specimens with ASTM standard configuration were performed to compare with [0_/90_]3s Arcan specimens with various loading angle. A two-steps process was proposed to investigate the effects on tensile properties by induced shear damage and conducted with the MAF and [0_/90_]3s specimens, as well as for shear properties with premature in fibre direction. ASTM and Arcan specimens with different fibre orientations were examined with laminate stress strain curves. Load displacement curves of Arcan specimens with stacking [±45_]3s and [0_/90_]3s were illustrated. The coupled damage plastic model was implemented in ABAQUS/Explicit by using VUMAT to study off-axis tensile, OHT and Arcan specimens. The correlation are excellent between simulated results and experimental ones
La connaissance du comportement mécanique des matériaux composites est un challenge scientifique mais également un défi industriel. En effet, il est crucial d'anticiper la réponse du matériau en service et en particulier l'apparition de l'endommagement. Dans ce travail de thèse, un matériau composite tissé en fibres de carbone et matrice époxy est considéré. En particulier, son comportement est étudié sous sollicitations multiaxiales. Un modèle élastoplastique couplé avec l'endommagement a été développé pour caractériser le comportement non linéaire du composite. Un procédé d'infusion sous vide a été utilisé pour fabriquer les plaques composites et une série d'essais suivant les normes ASTM a été réalisée pour obtenir les propriétés mécaniques du matériau et afin de permettre l'identification et la validation du modèle. Un montage expérimental basé sur le principe d'Arcan a été conçu afin de permettre d'étudier le comportement mécanique des matériaux composites sous chargement biaxial. Une enveloppe des contraintes conduisant à l'endommagement dans le plan (contrainte normale - contrainte de cisaillement) a pu ainsi être déterminée. Le modèle constitutif a été implémenté dans ABAQUS/Explicit en utilisant une subroutine VUMAT pour étudier l'effet de l'endommagement diffus induit par le cisaillement sur les propriétés longitudinales du matériau. Un test en deux étapes a été proposé afin d'identifier le paramètre de couplage entre les endommagements. Le modèle a été validé par comparaison avec des résultats d'essais réalisés sur des éprouvettes de traction hors axes, des éprouvettes percées et des essais biaxiaux de type Arcan
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