Cette thèse présente un nouveau modèle de comportement pour les composites stratifiés à renforts tissés et aborde certaines lacunes identifiées dans les lois de comportement s'appliquant aux composites. Cette nouvelle loi de comportement combine la facilité d'utilisation du modèle Matzenmiller-Lubliner-Taylor (MLT) avec la robustesse du modèle de fissuration de Ba˘zant. Une interpolation des propriétés des matériaux est utilisée pour permettre l'évaluation de paramètres à haute vitesse de chargement. La nouvelle loi de comportement est employée en combinaison avec une approche de coques empilées pour permettre la simulation de l'endommagement par délamination. Cette loi de comportement pour stratifiés et le type de discrétisation utilisé permettent la simulation d'impacts à haute vitesse menant à la perforation de la cible. Afin de valider la nouvelle loi de comportement, une série de tests d'impact est effectuée sur trois différents matériaux composites tissés. Un projectile allongé est utilisé afin d'enregistrer la décélération du projectile lors de l'impact. Les cibles composites sont ensuite inspectées par ultrasons pour quantifier l'endommagement par délamination produit lors de l'impact. Des sections transversales des points d'impact sont inspectées visuellement afin de quantifier les types de rupture dans le stratifié. Des simulations numériques sont ensuite effectuées à l'aide de trois différents types de loi de comportement et différentes méthodes de discrétisation. Le résultat de ces simulations numériques est comparé aux mesures expérimentales. La nouvelle loi de comportement permet une estimation adéquate de l'endommagement des stratifiés et de l'étendue de la délamination ainsi qu'une réduction importante de la sensibilité de la réponse à la taille du maillage. Certains thèmes nécessitant une recherche plus approfondie sont identifiés dans le but de faciliter la simulation d'impacts sur des structures composites en milieu industriel. / This thesis presents a new lamina material model that addresses shortfalls identified in advanced material models for use in composite impact predictions. The new model combines the ease of use of the Matzenmiller-Lubliner-Taylor model with the robustness of the Ba˘zant crack band method. A material model interpolation scheme is also presented to allow for the simulation of high strain rate loading events with the new lamina material model. The proposed lamina model is implemented in a commercial Finite Element Method (FEM) code and used in combination with a stack shell approach using cohesive zone elements to predict delamination damage. The proposed material model and chosen discretization enable for the prediction of high velocity through thickness impacts, which lead to the perforation of the targets. To validate the new material model, experimental tests are performed on three woven composite materials. These tests consist in perpendicular impacts on Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) panels using an elongated aluminium impactor. The elongated projectile is required to record the projectiles' deceleration histories during the impact event. Postmortem inspections of the panels are also undertaken to quantify the damage sustained by the CFRP targets. Projected delamination areas are quantified through C-Scan inspection of the targets, followed by visual inspection of the impact sites' cross sections. Numerical simulations are next carried out using different in-plane and out-of-plane discretization approaches. Three material formulations are also investigated: brittle, the proposed model and the proposed model with high strain rate parameters. The results of these simulations are compared to the results obtained experimentally. The new model is found to predict reasonably well the damage encountered in the experimental test and to greatly diminish the mesh size sensitivity of the FEM approach. Areas requiring further attention are identified to further move composite material failure prediction from laboratory to industrial applications.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/21588 |
| Date | 16 April 2018 |
| Creators | Gauthier, Louis |
| Contributors | Nandlall, Dennis, Gakwaya, Augustin |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 242 p., application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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