Experimental and numerical study of wrinkles defects on curved laminated composite structures
Etude expérimentale et numérique des défauts d'ondulations dans les structures composite courbes
Résumé
Due to the increasing use of composite in the aviation industry, production rate needs to rise, which leads to an increase the number of non-conform parts. Composite laminates are currently used for complex geometries and not only for flat component. The manufacturing of composite structures with a complex shape induces lots of defects not always mastered. One of the most common type of defect is the out-of-plane wrinkle plies defect, which classically occurs in curved part like the radius of curvature of stiffener or of keel beam. Nevertheless, the effect of wrinkles on the strength of composite structures is poorly understood, leads to non-conformity and most of the time to scrap the work piece for precaution and conservatism reasons. It is necessary to better know and predict the effects of wrinkles defects depending to their severities. For these reasons, Segula Technologies and Clément Ader Institute (ICA) propose to experimentally and numerically study the effect of out-of-plane wrinkle defects on the strength of curved composite specimens under different loads. The aim of this PhD work is to develop a numerical modelling methodology based and checked on experimental results to take into consideration wrinkles defects and study the influence of these defects on the strength of curved specimens. Firstly, the Discrete Ply Model, developed at ICA since 10 years, was challenged on curved specimens without defects subjected to four-points bending load case. Once the model was validated, wrinkled specimens were manufactured, tested and modelled. A large batch of misalignment angle, which is the criteria selected to estimate the severity of the defects was studied and a good correlation between the failure loads and wrinkles defects is establish. Secondly, the effect of wrinkles defects into the region of the radius of curvature has been studied under compressive tests. Again, the increase of the misalignment angle induces a decrease of the compressive strength. These results, only available on flat part in the literature, constitutes a scientific breakthrough. Finally, curved specimens with and without wrinkles defects have been subjected to impact on their radius of curvature or on one of their arms. Compression-after-impact tests were performed to study the interaction between wrinkles defects and impact damages. As a result, compressive strength is principally affected by impact damages and less by wrinkles defects. In conclusion, the numerical models developed in the context of this thesis work successfully predicted the influence of wrinkle defects on the failure strength of curved specimens under different load cases.
L'utilisation croissante des composites dans l'industrie aéronautique, conjuguée à l’augmentation des cadences de production, génère une augmentation du nombre de pièces non conformes. Les stratifiés composites sont en effet de plus en plus utilisés pour des pièces de géométrie complexe et non plus uniquement pour des structures planes. La fabrication de ces structures composites de forme complexe est assujettie à l’apparition de défauts difficiles à maîtriser. Parmi ces derniers, les défauts d’ondulations de fibres hors-plan représentent l’un des principaux et des plus courants types de défauts identifiés dans les parties courbes de structures composites comme le rayon de courbure d’un raidisseur ou de poutres ventrale. Cependant, l'effet des ondulations sur la résistance à rupture des structures composites est encore mal connu. Il conduit à de nombreuses non-conformités qui par précaution et conservatisme conduisent la plupart du temps au rebut de la pièce. Il est donc nécessaire de mieux connaître et de pouvoir prédire les effets des défauts d’ondulations en fonction de leur importance. L’objectif de cette thèse, menée en collaboration entre SEGULA Technologies et l'Institut Clément Ader, a été d'étudier expérimentalement et numériquement l'effet des défauts d’ondulations de fibres hors-plan sur la résistance à rupture d'éprouvettes composites courbes sous différents types de sollicitations, puis de développer une méthodologie de modélisation numérique fondée sur un dialogue essais/calculs. Il s’agit de prendre en compte les défauts d’ondulations et ainsi d’étudier leurs influences sur la résistance à rupture de cornières en composite.Dans un premier temps, le Discrete Ply Model (DPM), développé à l'ICA depuis une dizaine d’année, a été testé sur des éprouvettes courbes et sans défauts sous sollicitation de flexion quatre points. Une fois le modèle validé, des spécimens avec des ondulations hors-plan dans le rayon ont été fabriqués, testés et modélisés. Un grand nombre d’angles de mésalignement, critère choisi pour jauger de la sévérité des défauts a été généré, étudié et une bonne corrélation a pu être établie entre les charges à rupture et les défauts d’ondulations.Dans un second temps, l'effet des défauts d’ondulations hors-plan présents dans la partie du rayon de courbure de cornières a été étudié sous sollicitation de compression. Là encore, l'augmentation de l'angle de mésalignement induit une diminution de la résistance à la compression. Ces résultats, disponibles uniquement sur les éprouvettes planes dans la littérature, constituent une avancée scientifique. Pour finir, des éprouvettes courbes, avec et sans défauts d’ondulations, ont subi un impact au niveau du rayon de courbure ou de l'un des bras. Des tests de compression après impact ont été effectués pour étudier l’interaction entre défauts de fabrication et impacts. Il en résulte que la résistance à la rupture en compression de cornières est principalement affectée par l’impact et peu par les défauts d’ondulations. En conclusion, les modèles numériques développés dans le cadre de ce travail de thèse permettent de prédire avec succès l'influence des défauts d’ondulations hors-plan sur la résistance à la rupture d'éprouvettes courbes sous différents cas de chargement.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|---|
| Licence |