Adaptation du modèle DPM à la modélisation 3D de l'écrasement de matériaux composites
Florent Grotto, Christophe Bouvet  1  , Samuel Rivallant  2  
1 : Institut Clément Ader  (ICA)  -  Site web
Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse, Université Paul Sabatier - Toulouse 3, Centre National de la Recherche Scientifique : UMR5312, IMT École nationale supérieure des Mines d\'Albi-Carmaux, Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, IMT École nationale supérieure des Mines d\'Albi-Carmaux, Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, IMT École nationale supérieure des Mines d\'Albi-Carmaux, Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, IMT École nationale supérieure des Mines d\'Albi-Carmaux, Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, IMT École nationale supérieure des Mines d\'Albi-Carmaux, Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, IMT École nationale supérieure des Mines d\'Albi-Carmaux, Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, IMT École nationale supérieure des Mines d\'Albi-Carmaux, Institut Supérieur de l\'Aéronautique et de l\'Espace, IMT 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135 Ave de Rangueil 31077 Toulouse -  France
2 : Institut Clément Ader  (ICA)  -  Site web
Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace [ISAE], École nationale supérieure des Mines d'Albi-Carmaux, Université Paul Sabatier (UPS) - Toulouse III, Institut National des Sciences Appliquées [INSA]
10 av. Edouard Belin 31055 Toulouse -  France

Dans cette étude nous cherchons à adapter et améliorer un modèle d'endommagement composite pour simuler le comportement d'un stratifié composite sous écrasement.

Étant donné la complexité de la simulation des endommagements, ruptures et contacts dans un tel problème, nous utilisons et développons le modèle « Discrete Ply Model » (DPM).

Le DPM est un modèle spécifique aux composites stratifiés UD, développé à l'Institut Clément Ader depuis plusieurs années pour modéliser notamment l'impact basse vitesse, l'arrachement, les entailles [1-2]... Il s'agit d'un modèle phénoménologique, mésoscopique à l'échelle du pli, décrivant les modes de ruptures et d'endommagement principaux (fissuration matricielle, délaminage, rupture de fibre en traction).

Ce modèle avait été adapté au crash de plaques composites sur champ [4] en se limitant à des simulations pseudo-2D et une loi d'écrasement différente pour les éléments à 0° et à 90°. L'écrasement avait été introduit par une loi représentant l'effet mésoscopique du micro-flambage de fibres en bout de plis couplé à de la fissuration matricielle localisée, formant et évacuant des débris en continu. Ce phénomène d'écrasement se fait à contrainte constante et génère un plateau d'effort à l'échelle de la structure écrasée. L'accumulation des débris non évacués en bouts de plis forment des cales, ce qui a été implémenté par déformation transverse des éléments à 90° en compression, favorisant l'apparition de mécanismes d'évasement des plis.

Ce travail d'adaptation du DPM à l'écrasement est poursuivi de telle sorte à unifier les lois à 0° et 90° pour pouvoir représenter des orientations de plis quelconques dans le stratifié (±45° en particulier) et ainsi simuler le comportement en 3D d'un stratifié composite avec un drapage complexe.

La difficulté de la simulation du crash de composite réside dans le fait qu'il est nécessaire d'endommager entièrement la matière pour représenter sa fragmentation en poussière tout en tenant compte de l'énergie physiquement dissipée, et de propager l'endommagement d'un élément à un autre. On obtient alors des simulations relativement instables, et on travaille aux limites du modèle DPM voire de la Méthode des Éléments Finis en général. En effet les érosions des divers éléments sous écrasement génèrent dans la plaque des ondes de contraintes fortes qui peuvent provoquer l'érosion intempestive d'autres éléments (cohésifs notamment). De plus, les distorsions extrêmes des éléments, inhérentes au fait que certains éléments doivent être écrasés quasi-totalement pour prendre en compte les énergies dissipées, peuvent stopper le calcul prématurément. Enfin, il y a également de nombreux contacts critiques, en particulier par des débris de quelques éléments entre eux ou entre les éléments et le plateau de crash.

Des ajustements du DPM ont donc été réalisés pour pallier ces problèmes, stabiliser les calculs et compléter la description de certains phénomènes : nouveau critère pour la prise en compte de la rupture de pli en flexion, critère spécifique l'érosion des mailles trop distordues, filtrages des contraintes liés à certains critères d'endommagement, adoucissement avant érosion.

Le modèle a été appliqué sous Abaqus à deux cas d'écrasement de plaques composites :

- écrasement de composite sur champ (fig. 1) : les plaques sont des stratifiés formés d'UD T700/M21 avec les empilements [(0/90)×4]s et [(0/45/90/-45)×2]s (travaux issus de [4]),

écrasement de composite par pion (fig. 2) : étude de comportement du modèle sur une plaque stratifiée en UD T700/M21, pour reproduire les mécanismes observés dans les essais de Heimbs et Bergmann [5] (essais réalisés avec d'autres matériaux composites).

Type : : oral
Thématiques : Dynamique, Impact, Crash
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