De façon prononcée depuis 2012, les voiliers de compétition sont munis d'hydrofoils, des ailes sous-marines en matériau composite stratifié (fibres de carbone, matrice époxy). Ils sont fixés sous les coques des voiliers et permettent par effet de portance de sustenter ces derniers au-dessus de l'eau et d'atteindre une vitesse plus importante.

La problématique de l'étude présentée concerne le cas de l'inversion de portance. En effet, lors d'une inversion de portance, le coude de l'hydrofoil est soumis à une sollicitation générant une contrainte de traction hors plan. Si cette dernière est trop élevée, elle peut induire une rupture du foil par délaminage. La tenue mécanique hors plan est donc un critère dimensionnant de cette innovation technologique.

L'objectif de l'étude était de faire une corrélation expérimentale/numérique de la résistance hors plan (engl. InterLaminar Tensile Strength ILTS) d'un matériau composite stratifié renforcé par des fibres de carbone ainsi que de déterminer son comportement mécanique hors plan.

Afin d'aborder la problématique, un essai de flexion quatre points sur cornière, inspiré de ceux de Charrier [1, 2] suivant la norme [3], a été entrepris. Pour cela, un empilement à plis unidirectionnels avec des fibres de carbone de module intermédiaire (IM) et d'une résine époxy à basse Tg a été choisi. L'essai a été instrumenté avec des capteurs de déplacement et d'émission acoustique, des jauges de déformation et un système de stéréo-corrélation d'images numériques.

La contrainte hors-plan a été déterminée en fonction du chargement en appliquant la formule analytique de résistance des matériaux ainsi que la solution de Lekhnitskii [4].

Un modèle numérique utilisant la méthode des éléments finis a été conçu avec le code de calcul Abaqus. Les plis unidirectionnels, 35 au total, étaient supposés isotropes transverses avec un comportement linéaire élastique. Un élément volumique linéaire (C3D8) a été défini par épaisseur de plis.

La valeur de la résistance hors plan déduite, grâce à l'introduction du déplacement à rupture expérimental dans le modèle numérique, concordait à la valeur calculée analytiquement. Ceci a été confirmé par la superposition des courbes expérimentale et numérique sur le graphique force-déplacement. La stéréo-corrélation d'images a permis de valider le lieu de rupture expérimentalement observé à un tiers de l'épaisseur de la cornière. La valeur de déformation de la jauge dans l'épaisseur était légèrement inférieure à la valeur mesurée par la stéréo-corrélation d'images. Aucun événement n'a été enregistré par les capteurs d'émission acoustique avant la rupture. Cela indique qu'il s'agissait d'une rupture soudaine.

La bonne corrélation entre la partie expérimentale et la partie numérique permet d'entreprendre par la suite des essais de flexion quatre points sur semi-structure ainsi que sur hydrofoil. Le changement de dimension va demander une préparation d'essai plus importante (conception du banc d'essai, calcul des contraintes limites etc.), une instrumentation plus vaste (plusieurs jauges, capteurs d'émission acoustique, LVDTs etc.) ainsi que la conception d'un modèle numérique permettant de prévoir le déroulement de l'essai de flexion quatre points sur semi-structure et sur hydrofoil.

Références :

[1] Charrier, J.-S. Développement de méthodologies dédiées à l'analyse robuste de la tenue de structures composites sous chargements complexes tridimensionnels PhD thesis École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (2013).

[2] Charrier, J.-S., Laurin, F., Carrere, N., and Mahdi, S. (feb, 2016) Determination of the out-of-plane tensile strength using four-point bending tests on laminated L-angle specimens with different stacking sequences and total thicknesses. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 81, 243–253.

[3] ASTM D6415 / D6415M-06a (2013) Standard Test Method for Measuring the Curved Beam Strength of a Fiber-Reinforced Polymer-Matrix Composite. ASTM International, West Conshohocken, PA.

[4] Lekhnitskii, S. G. (1968) Anisotropic plates, Gordon & Breach; Reprint edition (January 1, 1968).