Réponses à un impact de plaques composites stratifiées

La réponse globale d’une plaque composite stratifiée à un impact, en termes de force axiale mesurée sur l’impacteur et éventuellement de déflexion, a été décrite dans de nombreuses études expérimentales [Belingardi, 2002] [Abdallah, 2009]. Certains auteurs privilégient un filtrage pour supprimer les modes de vibration liés au dispositif d’impact [Guillaumat, 2000] [Belingardi, 2002]. Cependant, Davies et Olsson [Davies, 2004] Réponses à un impact de plaques composites stratifiées Prévision des dommages d’impact basse vitesse et basse énergie dans les composites à matrice organique stratifiés 8 considèrent que ce filtrage peut masquer des informations importantes, comme la chute brutale de la force de contact, associé à l’apparition des délaminages [González, 2012]. Dans l’article de Belingardi et Vadori [Belingardi, 2002], l’historique de la force de contact est détaillé selon trois cas d’impact : un cas avec rebond de l’impacteur, un cas où l’impacteur est stoppé et un cas où l’impacteur perfore la plaque. Ces trois cas correspondent, respectivement, aux segments A-B, B-C et C-D du diagramme du profil énergétique d’impact proposé par Aktaş et al. [Aktaş, 2009] (Figure 1.1). Ce diagramme représente la part de l’énergie d’impact qui a été absorbée par le spécimen, calculée par intégration de la courbe force de contact / déplacements de l’impacteur, impacté en fonction de l’énergie d’impact incidente .Dans le cas d’un rebond de l’impacteur, cas de cette étude, celui-ci indente la cible sans qu’il n’y ait de pénétration puis repart dans la direction opposée à celle de l’impact. La déflexion maximale est atteinte lorsque la vitesse de l’impacteur s’annule. La fin du contact a lieu lorsque la force de contact, mesurée sur l’impacteur, devient nulle. L’historique de la force de contact présente deux seuils : un premier où la forme de la courbe est marquée par de brusques oscillations attribuées aux premiers endommagements au sein du matériau et un second caractérisé par une brusque chute de la force, suivie d’une nouvelle augmentation mais selon une pente plus faible (Figure 1.2). Ce second seuil marque le début d’effets significatifs des dommages sur le comportement global de la cible, ce qui lui vaut le nom de seuil d’endommagement. Il est attribué à l’apparition des délaminages [Davies, 2004] [González, 2012]. C’est pourquoi il peut également être nommé seuil de délaminage. Celui-ci n’est pas celui d’une loi de comportement à proprement parler mais la force de contact à partir de laquelle les effets des dommages sur le comportement global deviennent notables. Lorsque l’ensemble de l’énergie d’impact incidente a été fournie à la plaque, celle-ci est en partie restituée à l’impacteur pour le renvoyer vers sa position initiale : c’est le phénomène de rebond. La différence entre l’énergie d’impact incidente et l’énergie d’impact restituée constitue l’énergie absorbée par la plaque, principalement sous forme d’endommagement. Cette énergie absorbée correspond à l’aire de la boucle fermée formée par la courbe de la force de contact en fonction du déplacement de l’impacteur.

Mécanismes d’endommagement de plaques composites stratifiées lors d’un impact

Lors d’un impact, l’ensemble des endommagements rencontrés dans les composites sont représentés, à savoir : la fissuration matricielle, le délaminage et les ruptures de fibres (Figure 1.5). De plus, les différentes études réalisées ont permis aux différents auteurs de synthèse [Richardson, 1996] [Abrate, 1998] [Davies, 2004] de mettre en évidence un scénario d’endommagement lors de l’impact. La transparence des composites en fibres de verre a notamment permis, avec l’aide de caméra rapide, d’observer la chronologie des dommages d’impact [Guillaumat, 2000]. C’est pourquoi, dans ce paragraphe, ces dommages sont présentés dans leur ordre d’apparition, pour des énergies d’impact croissantes. La description suivante des dommages d’impact a été principalement réalisée par les différents auteurs sur des stratifiés de séquence d’empilement comportant exclusivement des plis orientés à 0° ou 90° (stratifiés « croisés »), propices à des propagations de délaminages plus importantes. Prévision des dommages d’impact basse vitesse et basse énergie dans les composites à matrice organique stratifiés 12 (a) T700GC/M21 impacté à 30 Joules [Hautier, 2010] (b) (c) Figure 1.5. Endommagements observés dans un stratifié de plis unidirectionnels [Berthelot, 1992] et coupes micrographiques d’un composite stratifié d’unidirectionnels impacté [Davies, 2004] et d’un stratifié T700GC/M21 impacté à 30 Joules [Hautier, 2010] Les dommages sont généralement répartis autour du point d’impact sous la forme d’un cône d’endommagement (Figure 1.5c). Les zones endommagées sont plus étendues à proximité de la face opposée à l’impact et plus restreintes à proximité du point d’impact. Ils sont liés à deux phénomènes en impact basse vitesse et basse énergie : l’indentation de l’impacteur, face impactée, et la déflection globale de la plaque. D’après Davies et Olsson [Davies, 2004], les dommages sont séparés en deux régions. Dans une région localisée près du point d’impact, l’endommagement est induit par des contraintes résultant de la flexion de la cible et de la force de contact. Dans la région environnante, l’endommagement est induit par les contraintes résultant de la flexion et des forces de cisaillement transverses.

Empreinte permanente

Pour un niveau d’énergie d’impact suffisant, l’impacteur laisse une empreinte permanente appelée indentation. La profondeur de cette empreinte détermine la détectabilité des dommages lors d’une inspection visuelle [Léon-Dufour, 2008]. En effet, en dessous d’une valeur limite de cette profondeur, aussi appelée Barely Visible Impact Damage (BVID), le défaut externe lié à l’impact est considéré comme étant indétectable à l’œil nu. En dessous de l’énergie d’impact permettant la détection du défaut d’impact externe, il faut donc que les performances résiduelles de la pièce impactée permettent de tenir les charges extrêmes que Chapitre 1. Bibliographie 13 peut subir la structure aéronautique. Lorsqu’un matériau composite stratifié est modifié, dans sa constitution ou dans sa séquence d’empilement, il est nécessaire de quantifier les performances résiduelles de la structure en présence de défauts d’impact correspondant à une énergie au moins égale à celle engendrant le BVID. L’origine de l’indentation permanente de la cible composite à matrice organique est encore un sujet ouvert. Elle est en général attribuée au comportement non linéaire du matériau : viscoplasticité de la matrice époxy [Ilyas, 2010] [Lachaud, 2011] ou bien, de manière plus générique, comportement non linéaire en cisaillement [Faggiani, 2010] [Yokoyama, 2010]. Par ailleurs, dans l’article d’Abdallah et al. [Abdallah, 2009], une partie de l’indentation permanente est supposée liée à la présence de débris de la matrice dans les fissures, ce qui empêche leurs fermetures et donc induit une indentation permanente. En effet, lors de cette étude sur des plaques fortement orientées, les auteurs ont mis en évidence la présence de débris de résine et de fibres rompues dans les fissurations matricielles obliques, localisées dans l’épaisseur du stratifié, qui empêcheraient le retour du cône d’endommagement dans sa position initiale, ce qui entraînerait la formation d’une empreinte résiduelle.

Fissuration matricielle

L’endommagement matriciel est le premier type d’endommagement induit par un impact basse vitesse [Chang, 1990] [Choi, 1992]. Il se trouve sous forme de fissuration et de décohésion fibre-matrice. L’endommagement matriciel est orienté dans la direction des fibres (« splitting »).