Dans une logique de réduction des gaz à effet de serre, Safran cherche à utiliser des composites tissés 3D à matrice organique qui permettent de pallier le problème de délaminage qui peut être observé pour composites stratifiés. Cette étude porte sur un matériau composite tissé 3D générique. Afin de viser une détermination fiable et rapide de la tenue en fatigue, l'approche présentée ici est basée sur l'analyse de l'auto-échauffement du matériau sous sollicitations cycliques. Pour atteindre cet objectif, deux axes d'études principaux sont investigués: la caractérisation de la relation entre la signature thermomécanique et les mécanismes dissipatifs à l'échelle mésoscopique et l'établissement d'un critère de fatigue à partir de l'analyse des essais d'auto-échauffement.

Une première nécessité est la description et la compréhension des mécanismes d'endommagement. Pour ce type de matériau, les principaux modes d'endommagement sont : l'endommagement diffus de la matrice, des décohésions, des ruptures au sein des fibres transversales, puis la rupture des fibres longitudinales [1]. Nous nous intéressons en particulier aux premiers stades d'endommagement qui apparaissent sous des chargements relativement faibles conduisant à des durées de vie importantes.

Un deuxième objectif est alors de décrire des mécanismes dissipatifs à l'échelle mésoscopique. A cette fin, les champs d'énergie dissipée et les champs de couplage thermoélastique sont caractérisés par thermographie infrarouge et puis analysés à l'échelle d'un sous-motif de tissage. Cette étape a pour objectif de permettre d'évaluer les contributions des différents mécanismes dissipatifs et d'alimenter les comparaisons à des simulations numériques à cette échelle. Ces comparaisons permettront d'évaluer l'influence de différents paramètres de la loi de comportement sur les bilans énergétiques et serviront de base pour la modélisation de la réponse thermomécanique sous chargement cyclique.

L'objectif suivant est de tester la capacité du protocole d'auto-échauffement à prédire les propriétés de durée de vie du composite étudié. Il est ainsi nécessaire d'évaluer les conditions de validité de cette approche puis de définir un modèle d'analyse de la courbe d'auto-échauffement et enfin, un critère de dimensionnement en fatigue utilisable industriellement. Cette problématique est abordée à l'échelle macroscopique. Néanmoins cette démarche est conditionnée par la compréhension du lien entre les mécanismes physiques et l'auto-échauffement. Si pour les matériaux métalliques, cette compréhension est bien décrite [2], la nature des mécanismes restent à affiner pour les matériaux composites. Cependant, il a été montré que des approches basées sur un dépouillement empirique donnaient de bonnes corrélations avec la courbe de fatigue moyenne [3], [4].

Il ressort que les outils mis en place permettent une description fine de la réponse thermomécanique (couplage thermoélastique et dissipation) qui offrent une base de données précieuse à la compréhension et la validation des modèles. Par ailleurs, le protocole d'auto-échauffement semble pertinent pour ce matériau et le critère de fatigue énergétique identifié à partir d'un dépouillement empirique montre une bonne corrélation avec les essais de fatigue.

Références :

[1] El Hage C. Modélisation du comportement élastique endommageable de matériaux composites à renfort tridimensionnel. Thèse de doctorat, Université de Technologie de Compiègne, 2006.

[2] Doudard C., Hild F., Calloch S. A probabilistic model for multiaxial high cycle fatigue. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 30 (2), 107-114. 2007.

[3] Roué V. Caractérisation thermomécanique en fatigue d'un composite tissé 3D pour applications aéronautiques. Stage de Master recherche. 2016.

[4] Leveuf L., Marco Y. Le Saux V., Navrátil L., Leclercq S., Olhagaray J., Fast screening of the fatigue properties of thermoplastics reinforced with short carbon fibers based on a heat build-up protocol. 12th International Fatigue Congress. FATIGUE 2018