SAMCEF - logiciel de simulation de délaminage des matériaux composites

Grâce à leur rapport rigidité / poids élevé et à leurs propriétés anisotropes, les matériaux composites sont largement utilisés dans différents secteurs tels que l'énergie, la marine, l'automobile, le bâtiment et la construction, et, bien sûr, l'aéronautique. L'un des modes de rupture prédominants dans les composites multicouches est la délamination, qui résulte d'une séparation des couches adjacentes à des emplacements sensibles aux effets transversaux. Si le nombre de fissures initiées est élevé, les propriétés mécaniques globales des structures laminées réelles peuvent être diminuées. Ceci est particulièrement vrai pour les structures aérospatiales constituées de panneaux minces avec des cadres et des raidisseurs co-durcis ou collés. Pour fournir des composants sûrs, il est donc obligatoire de tenir compte de ces défauts lors de la phase de conception (figure 1) et de vérifier l'intégrité structurale pendant leur propagation.

Le code d'éléments finis SAMCEF propose des solutions pour simuler et analyser la délamination des composites. Ici, seul le cas du chargement statique est évoqué. SAMCEF Asef et SAMCEF Mecano sont utilisés, pour des analyses linéaires et non linéaires, respectivement.

La première approche disponible dans SAMCEF pour évaluer les risques de délaminage consiste à utiliser la mécanique de la rupture dans une analyse statique (éventuellement linéaire). Les taux de libération d'énergie de contrainte par mode, GI, GII et GIII, sont calculés avec la méthode Virtual Crack Extension (VCE) comme expliqué dans la figure 2.

La variation de l'énergie potentielle totale par rapport à un incrément de surface de fissure virtuel donné dA est d'abord calculée pour le champ de déplacement actuel (d'équilibre) via une analyse de sensibilité semi-analytique. Ceci fournit le taux de libération d'énergie totale GT, qui est une mesure de la façon dont la rigidité diminue quand une fissure se propage. Ensuite, la contribution aux trois modes individuels est mesurée, en fonction des mouvements relatifs des lèvres pendant le chargement et des réactions contre la propagation des fissures. En comparant ces valeurs à la ténacité à la rupture interlaminaire, GIC, GIIC et GIIIC, sur la base de certains critères, les fissures critiques peuvent être identifiées et la charge de propagation associée peut être estimée (figure 3).

Dans la seconde approche, la mécanique de la rupture est utilisée en conjonction avec un modèle d'endommagement interlaminaire. Afin de représenter cet endommagement interlaminaire éventuel, une couche mince est insérée entre deux plis du stratifié, comme représenté sur la figure 4. Une spécifité non-linéaire

Une loi de ramollissement est assignée au matériau dans cette couche mince, et sa rigidité et sa résistance peuvent diminuer jusqu'à zéro pendant la période de chargement, simulant une décohésion entre les couches. Une loi matérielle bi-triangulaire est présentée dans la figure 4. Des lois polynomiales et exponentielles sont également disponibles dans SAMCEF. Au détriment d'une analyse non linéaire, cette stratégie permet d'estimer non seulement la charge de propagation mais aussi la charge maximale et la raideur résiduelle au cours du processus de fracture (figure 5).

Une première structure composite raidie multi-délaminée est considérée (figure 6). Il comprend neuf fronts de fissures définis sur toute la longueur. Une force est imposée sur le sommet du raidisseur, et les taux de libération d'énergie par mode, GI, GII et GIII, sont calculés et inclus dans un critère de défaillance.

Lorsque sa valeur atteint 1, une propagation de fissure se produit. Dans notre exemple, on peut observer que les fissures 2 et 3 sont les plus critiques. Nous considérons maintenant un deuxième panneau composite raidissé multi-délaminés qui comprend 55 fronts de fissure initiaux entre chaque couche de peau et à l'emplacement des noeuds, et deux grandes fissures entre le capuchon et les brides de raidisseur (figure 8).

Ici, l'approche des éléments cohésifs est utilisée pour analyser la propagation des dommages interlaminaires. Un déplacement est imposé sur la partie supérieure du raidisseur en T. La courbe charge-déplacement résultant de la simulation est fournie à la figure 8, où la charge maximale admissible avant une perte significative de la rigidité globale peut être estimée. Les déplacements structurels et l'extension des dommages sur le chargement sont illustrés sur la figure 9.

La modélisation et la résolution des problèmes de délamination dans les composites sont connues pour être difficiles, et les capacités de test numérique offertes par SAMCEF sont conformes à la réalité industrielle. Certains des besoins identifiés au niveau industriel comprennent l'utilisation de modèles d'éléments finis de grande taille pour représenter efficacement la réalité; prendre en compte un grand nombre de fissures dans la structure afin de fournir une conception sûre; modélisation des conditions de contact sur de grandes surfaces; et obtenir des résultats précis. SAMCEF répond efficacement à ces préoccupations industrielles avec des caractéristiques telles que la définition des fissures et des zones de délamination; estimation rapide de la charge de propagation via la méthode VCE; des capacités plus avancées grâce à l'approche des éléments cohésifs pour la propagation des fissures interlaminaires et l'estimation du comportement structural global au cours du processus de fracture; une bibliothèque de lois matérielles adoucissantes pour les comportements interlaminaires; stratégies efficaces pour traiter les conditions de contact; résultats précis (comparés aux solutions de référence); et une procédure de solution parallèle pour les problèmes à grande échelle.