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International audience; In this study, failure modes occurring during Filled Hole Compression (FHC) tests were analysed using post-mortem analysis for failure pattern identification and high-speed cameras for failure scenario (damage initiation and progress). Two different failure scenario were experienced depending upon the stacking sequence : * Net compression failure for high 0° oriented lay-ups. The crack initiation is observed near the bolt but the location differs with bolt tightening or not, enabling future validation of finite element models. * Offset compression failure for low oriented lay-ups. This failure mode was attributed to bearing bypass loads in the literature. Nevertheless, this study demonstrates that a different scenario can occur linked to a specimen effect: first a delamination appears at the free edges of the specimens. Then, as the delamination area grows, a local buckling occurs creating a net failure at the tip of the wave. The results obtained in this study are the basis for developing more robust sizing methods for bolted joints based on physical understanding of failure mechanism and associated sensitivity parameters.

International audience; Thanks to an innovative plate crushing test fixture, elementary crushing modes of CFRP laminates have been observed and analysed for static and dynamic loading. These analyses enabled to propose a 2D explicit finite element model at mesoscale for the simulation of splaying mode, with a good correlation between model and test data.

International audience; The influence of ply-drop position in thickness direction under fatigue loading (R = -1) has been studied. Two configurations with different ply-drop positions which drop from 20 to 12 plies have been compared in mechanical tests and finite element simulations to identify the damage modes, spots and kinetics before final failure.

National audience; Grâce à un dispositif d'essai original d'écrasement de plaques composites, des modes d'écrasement élémentaires de stratifiés CFRP ont été observés et analysés pour des chargements statiques et dynamiques. Ces analyses ont permis de proposer un modèle éléments finis 2D explicite, avec modélisation de l'endommagement du matériau à l'échelle mésoscopique, pour la simulation du mode d'écrasement par évasement, avec une bonne corrélation entre modèle et expérience.

National audience; Dans le cadre du projet européen ALCAS (Advanced Low-Cost Aircraft Structure), une solution de jonctionnement par Z-Pinning a été développée par EADS IW en collaboration avec Dassault Aviation. L'objectif de cette étude est de comprendre la nature des transferts d'efforts entre clous et structure afin de proposer une méthode de prédimensionnement de ce type de jonction qui fait défaut actuellement. Une approche multi-niveau a été proposée. Au premier niveau, une caractérisation des composants élémentaires (i.e. clous et résine) a été réalisée. Puis la nature de la liaison clou/structure a été analysée expérimentalement par arrachement de clous dans de la résine pure et modélisée analytiquement. La nature de la liaison est de type collage pur. Des essais d'arrachement de clous seuls dans un stratifié ont prouvé que la nature de cette liaison était identique dans une structure ce qui permet de prédire la tenue du clou en fonction son implantation. L'approche a ensuite été étendue à la modélisation par éléments finis d'essais d'éprouvettes technologiques de type L ou T sous sollicitations d'arrachement, de cisaillement et de « dépliage ».

National audience; Le présent article propose une étude de l'impact de structures similaires à des tronçons de pales d'hélicoptère. Ces structures composites complexes, fabriquées au laboratoire sont impactées par une bille en acier de 125 g à des vitesses d'impact variant de 30 à 130 m/s. Les essais sont enregistrés par une caméra rapide qui permet une acquisition de 120000 images/seconde. Cela a permis de mettre en évidence la cinématique de l'impact et de définir la chronologie des différents mécanismes d'endommagements. Un travail de modélisation est aussi présenté. Différentes stratégies de modélisation EF, à l'échelle macroscopique, permettent ainsi de modéliser ces phénomènes avec des densités de maillage qui ne sont pas pénalisantes lors d'un calcul sur une structure réelle.

Grâce à un dispositif d'essai original d'écrasement de plaques composites, des modes d’écrasement élémentaires de stratifiés CFRP ont été observés et analysés pour des chargements statiques et dynamiques. Ces analyses ont permis de proposer un modèle éléments finis 2D explicite, avec modélisation de l'endommagement du matériau à l'échelle mésoscopique, pour la simulation du mode d’écrasement par évasement, avec une bonne corrélation entre modèle et expérience.

National audience; L'influence de la position dans l'épaisseur des reprises de plis sur l'endommagement sous chargement en fatigue (R = -1) et la durée de vie a été étudiée. Deux configurations avec une variation de la position des reprises ont été comparées. Les stratifiés de base sont les mêmes pour les deux configurations et passent de 20 à 12 plis. Des essais mécaniques ont été menés pour identifier les modes et les lieux d'endommagement par observation des deux bords des éprouvettes pendant le chargement cyclique. La cinétique des derniers cycles jusqu'à la rupture finale a été observée. Une différence de la durée de vie entre les deux configurations testées a été trouvée. Un modèle éléments finis a été mis en place pour étudier les différences d'évolution de l'endommagement observées expérimentalement. Cette approche, basée sur un dialogue modèle global et modèle local, permet d'obtenir l'état de contrainte interlaminaire autour de chaque reprise de plis. Les résultats numériques sont en bon accord avec les observations expérimentales.

The aim of this paper is to present a damage model for optimization of impacted tubes subjected to a compressive load. An experimental study was made on tubes and plates to understand the damage mechanisms involved both in impact and compression after impact that led to a comparison between their behaviors with the intention of replacing the tests done on tubes by others done on plates. Since the response of plate and tube to impact presents some differences, a finite element model representing the impact on tubes is proposed. The geometric parameters of this model can be changed in order to run an optimization process presented at the end of the paper.

This article presents original experiments that enhance the understanding of the mechanisms that drive the progressive crushing of fiber-reinforced laminated composite materials and their energy absorption capability. An innovative experimental fixture has been created in order to obtain detailed monitoring of quasi-static and dynamic crushing of laminated plates. The fixture enables the development of a regular crushing front through the whole width of the plate, without parasite rupture modes, and the real-time observation of this front with a high speed camera. Results of experimental works on fabric and unidirectional Carbon-Epoxy laminated composite plates are exposed. The obtained crushing modes are analysed, their stability and energy-absorbing capability are discussed.

Cette étude a pour but d’améliorer la compréhension des mécanismes de ruine progressive des composites stratifiés en compression dans le plan. Pour cela, un dispositif expérimental innovant a été développé pour constituer une base de donnée adaptée à la validation de méthodes numériques avancées. Il permet de stabiliser l’écrasement d’éprouvettes planes tout en laissant le front d’écrasement se développer sur toute leur largeur. On peut ainsi filmer la tranche de l’éprouvette au cours de l’essai pour corréler les images de l'endommagement avec la courbe caractéristique effort/déplacement. Une campagne expérimentale a été effectuée. Il s’agit de l’écrasement, en quasi-statique et en dynamique, de plaques de différents drapages de tissus équilibrés Carbone/Epoxyde, munies de différents triggers. L’analyse des données permet de montrer le lien entre la quantité d’énergie absorbée et le type de ruine observé. L’importance prépondérante de la géométrie du front d’écrasement dans les performances d’un absorbeur est établie.

The aim of this paper is to present an experimental study of impact damage development and its influence on tubes residual strength. Therefore, a drop-weight impact tester was used. Different types of tubes were impacted with different energies. Impacts on plates were carried out in order to compare the damage morphology obtained with tubes. The results reveal some similarities between plates and tubes. Afterwards, compression after impact tests were done to identify the influence of impact on tube residual strength.

The objective of this study is to determine the mixed-mode I+II interlaminar fracture toughness at high mode I content for a 0°/45° ply interface. Mixed-mode I+II delamination tests on unidirectional and multidirectional specimens were performed using ADCB and AMMF methods. The procedure used for choosing the stacking sequence resulted in desirable propagation behaviors of the delamination. There was no change of delamination plane, an acceptable crack front profile, no initial specimen curvature, and no energy dissipation through global specimen damage. For data reduction, the experimental compliance method was the most consistent in determining the total energy release rate. Finite element simulation proved to be an indispensable analysis tool. A resin-rich interlayer was modeled at the delamination interface to eliminate the non-convergence behavior of the energy release rate. For delamination between plies of different orientations, the mode decomposition could only be analyzed by the finite element method. The ADCB configuration offered a very high mode I content (90-95%) while the AMMF offered a moderately high mode I (70-78%).

This paper deals with mass optimisation of composite laminates aeronautical structures. It focuses on the final stage of the process of composite structure design i.e. defining the lay-up evolution all over the panel, this being directly used for manufacturing. Strength criteria (in-plane behaviour) and stability criteria (out-of-plane behaviour) performed with appropriate industrial tools are evaluated in the multi-level optimisation presented hereafter. The methodology consists in five steps. In the first two steps, optimisation is performed with continuous variables and a homogenized material (i.e. with approached out of plane properties). In the third step, a lay-up table is selected (or built) and translated into a "continuous" material (i.e. out of plane stiffnesses expressed as continuous variables of the lay-up thickness). In the fourth step, optimisation is performed with the "continuous" material. In the last step, a genetic optimisation is used to round off at discrete ply thicknesses. This methodology provides a manufacturable result (in terms of ply continuity) that satisfies all stress and stacking sequence constraints.

Commonly, composite panel optimization is based on a multi-level strategy. An important step of the strategy is to optimize the stacking sequence. In this paper, we are interested in this step through lay-up table optimization towards buckling. A lay-up table is used to define the stacking sequence associated with each integer thickness of the skin and to insure lay-up continuity between different thicknesses. A genetic algorithm performs the optimization of the lay-up table with a chromosome coding of lay-up table meeting directly the requirements of lay-up continuity between different thicknesses. The fitness function used in this study is a multi-objective one: - The first objective concerns percentages coming from the first level thickness law. - The second one concerns buckling behavior - And the last one deals with limitation of inter-laminar shear stresses. Two examples illustrate the ability of this methodology to provide optimized lay-up tables.

International audience; The population of space debris is suspected to grow onearth’s orbits. This might be due to self generationprocesses occurring when an object impacts a satellite’s surface. As brittle materials, widely used for large solar arrays, are particularly sensitive to HVI in terms of damage and matter ejection, they might play an important role in debris generation. This paper focuses on HVI on thin brittle targets like Hubble silicon solar cells. Simulated and in-situ Front back impacts on both HST-CS and simple SiO2 targets were analyzed. Ejected volume and fragments were collected and filmed to characterize potential secondary debris. A mechanical analysis of damages due to the multilayered structure of solar cells as well as Ls-Dyna SPH calculations have also been performed and are compared to experimental results to assess predictions capabilities of the SPH code.

Le présent article propose une étude de l’endommagement de structures similaires à des tronçons de pales d’hélicoptère soumises à un impact. Il s’agit de structures composites complexes, fabriquées au laboratoire, et impactées par un projectile de 125 g à des vitesses d’impact de 130 m/s. Les essais sont analysés grâce à une acquisition des déformations au cours de l’essai et à une expertise post-mortem de l’éprouvette. Cela a permis de mettre en évidence les différents mécanismes d'endommagement de l'éprouvette. Un travail de modélisation est aussi présenté. Différentes stratégies de modélisation sous éléments finis, à l’échelle macroscopique, permettent ainsi de modéliser ces phénomènes avec des densités de maillage qui ne sont pas pénalisantes lors d'un calcul sur une structure réelle.

The purpose of this article is to determine the effect of moisture concentration on the mechanical behaviour of the elementary ply of a composite laminate. Fibres being considered as insensitive to hydrothermal ageing it was chosen to characterize the evolution of the epoxy matrix Young Modulus (Em) as a function of the moisture concentration (c). A series of tests were performed at several temperatures and moisture contents to determine the mechanical characteristics of an elementary ply (El, Et, nlt and Glt). Then through classical micromechanical models the evolution of Em is obtained by inverse indentification.

An analytical modelling of the symmetrical wrinkling is proposed : from original assumptions on displacements within the core, and from an energy minimisation method, it is possible to predict critical loads and buckling modes better than traditional models do, and to distinguish the influence of each structure component. Compression tests were carried out on sandwich structures to validate the model. Little curved structures were also tested to estimate the influence of skin curvature on rupture and buckling mode. A finite elements analysis has been achieved in parallel : a fine modelling allows to find results close to experimental ones.

Cette étude a pour but d'améliorer la compréhension du phénomène de flambement local de peaux stabilisées par mousse, ainsi que la prédiction des forces et modes de flambage. Une campagne d'essais a été menée sur des éprouvettes de diverses géométries, en compression pure. Une analyse par éléments finis menée parallèlement permet, par une modélisation fine, de retrouver les valeurs expérimentales avec une bonne précision. Une modélisation analytique du wrinkling symétrique est également proposée. A partir d'hypothèses originales sur les déplacements au sein de la mousse, et d'une méthode de calcul fondée sur la minimisation des énergies, elle permet de prédire les forces critiques mieux que les modèles classiques, tout en distinguant l'influence de chaque constituant de la structure. Cette modélisation est également validée par une étude éléments finis, et donne des résultats plus précis que les modèles classiques.

L’un des défis de la simulation numérique de la résistance au crash des structures composites est de pouvoir prédire les endommagements, leur évolution au cours de l’écrasement et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériau. Le but de cette étude est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans l'écrasement de stratifiés de plis unidirectionnels à base de fibres de carbone et de développer un modèle numérique. Des essais sont réalisés à différentes échelles (macro, micro), et conduisent à la définition d'une nouvelle propriété matériau, essentielle : la contrainte moyenne d'écrasement que peuvent soutenir les plis à 0° ou 90°, et la méthode de caractérisation associée. L’analyse des tests montre également que pour représenter correctement le comportement du matériau pendant le crash (évasement, fragmentation...), il est nécessaire de choisir un modèle à l’échelle méso. Le modèle éléments finis développé repose sur cinq idées principales : 1-mailler chaque pli; 2-utiliser des éléments cohésifs pour représenter le délaminage et l’évasement des plis; 3-pouvoir représenter la rupture des plis en gros fragments; 4-représenter l'écrasement localisé des plis, à leurs extrémités, par l'introduction d'un concept de « free-face-crushing », associé à un critère spécifique basé sur la contrainte moyenne d'écrasement; 5-représenter les contacts entre plis, plis et socle, plis et débris. Ce modèle phénoménologique est ensuite appliqué à la simulation du crash de plaques stratifiées. A partir des propriétés matérielles élémentaires du pli, il permet de prédire la force, les principaux mécanismes de rupture et la phénoménologie observée lors des expériences. A challenge in numerical simulation of crashworthiness is to be able to predict the crush damage modes, their evolution during crushing and the energy absorbed in any composite structure from a limited number of material properties. The aim of this study is to improve the understanding of the elementary mechanisms involved in the crushing of CFRP laminates made of unidirectional plies and to develop a numerical model. Crushing tests are performed at different scales (macro, micro), and lead to the definition of a new essential material property: the mean crushing stress that a 0° or 90° ply can support, and its associated characterization method. Tests analyses also show that to correctly represent the material behavior during crushing (splaying, fragmentation…) it is necessary to choose a mesoscale model. The Finite Element model developed in this thesis is based on five main ideas: 1-Meshing of each ply of the laminate; 2-Use of cohesive elements to represent delamination and plies splaying; 3-Possibility to represent failure of plies into big-sized fragments; 4-Representation of the localized crushing of plies, at their extremities, with the introduction of a free-face-crushing concept associated to a specific criterion based on the mean crushing stress; 5-Representation of contacts between plies, plies and impacted base, plies and debris. This physically based model is then applied to the simulation of the crushing of laminated plates. From elementary material properties of the ply, it allows to predict the force, the main failure mechanisms and the phenomenology observed during crushing experiments.

Différentes configurations d’éprouvettes de zones de reprises de plis proches des applications industrielles en matériau carbone-époxy préimprégné unidirectionnel ont été étudiées sous chargement statique et de fatigue (R = -1). Après évaluation de l’influence de différents paramètres par un modèle éléments finis 2D, des configurations ont été définies et ont permis d’évaluer les paramètres suivants : positions des reprises de plis dans le stratifié, orientation des reprises de plis, et stratifié de base. Différents états de matériau ainsi que deux grammages du matériau préimprégné ont été testés. L’influence des paramètres sur les modes et lieux d’endommagement et sur la contrainte à rupture sous chargement statique de compression et traction a été identifiée. Sous chargement de fatigue les modes et lieux des endommagements et l’influence des différents paramètres sur la durée de vie en fatigue et les courbes SN ont été étudiés. La fréquence et la distribution des délaminages qui s’amorcent sur les côtés des éprouvettes ainsi que leur propagation dans l’éprouvette ont été observées et un scénario d’endommagement proposé. Un modèle éléments finis global-local en 3D a été mis en place afin de prendre en compte les effets de bord sur les contraintes interlaminaires autour des reprises de plis. Un critère d’amorçage de délaminage au bord des éprouvettes a été proposé en corrélation avec les lieux de délaminage observés en essais. Different configurations of specimen with ply-drops close to industrial applications made of preimpregnated unidirectional carbon-epoxy material have been tested under static and fatigue loading (R = -1). The influence of different ply-drop parameters has been studied with a 2D finite element model. The defined configurations permit studying the following parameters: plydrop position in the plate, orientation of dropped plies, base-laminate. Furthermore different material qualities and two grammages of pre-impregnated material have been tested. The influence of the different parameters on damage modes and spots and failure stress under static tension and compression load has been identified. Under fatigue loading the damage modes and spots and the influence of ply-drop parameters on the fatigue lifetime and the SN curves have been studied. The frequency and distribution of delaminations on the two specimen sides as well as its propagation in the specimen have been observed and a damage scenario has been proposed. A global-local finite 3D element model has been implemented in order to study the interlaminar stresses around the ply-drops. Based on these stresses a criterion for delamination initiation on the specimen edges has been proposed that permits to retrieve the delamination spots observed in the tests.

L'optimisation des structures aéronautiques fabriquées en composite a mené EADS-IW à développer une technique d'assemblage par cloutage qui a pour objectif la fabrication à coût réduit de sous ensembles structuraux avec un fort niveau d'intégration. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le comportement mécanique des assemblages cloutés et de proposer des modélisations associées. Dans le cadre d'une démarche multi-niveau, le comportement des liaisons clou/résine et clou stratifié a d'abord été étudié. Des campagnes expérimentales ont montré l'influence du diamètre du clou et de la profondeur d'enfoncement sur la tenue en arrachement ainsi que des similitudes entre le comportement du clou noyé dans de la résine et implanté dans le stratifié. Une modélisation capable d'estimer la tenue en arrachement d'un clou a été développée. Au niveau éprouvettes technologiques, des éprouvettes cloutées représentatives de structures aéronautiques de type « L » ou « T » ont été testés en sollicitations statiques montrant l'influence des paramètres de conception et les possibles avantages du cloutage. Finalement, des modélisations basées sur les études élémentaires ont permis de simuler le comportement de ces éprouvettes cloutées retrouvé en essai et notamment de prédire leur tenue sous sollicitations différentes validant ainsi la démarche multi-niveau. A new assembly technique has been developed by EADS-Innovatlon Works using carbon pins which main goal is to manufacture low-cost aircraft structures in carbon/epoxy. The aim of this work is to investigate the mechanical behavior of pinned joints and to propose new models. Using a multi-level approach, pin/resin and pin/laminate pull-out behavior have been analyzed firstly. Experimental campaigns have shown diameter and bonded distance influence on pull-out strength as well as some similarities between pin/resin and pin/laminate pull-out behavior. An analytical model has been proposed to estimate pin pull-out strength. At the structure level, “T” and “L” pinned joints have been tested under pull-out, shear and flexure quasi-static loadings showing pinning parameters influence on fracture scenario and strength. Finally, FE models have been proposed to simulate pinned joints behavior using elementary pin pull-out experimental results and models. FE models present good agreement with test results providing better understanding of pinned joints mechanical behavior.

La maîtrise du comportement en cas de crash des structures en matériaux composites est une des difficultés qui accompagnent le développement industriel de ces structures. Le composite peut absorber de grandes quantités d'énergie si la structure s'écrase progressivement. Cette thèse vise à améliorer la compréhension des mécanismes de ruine mis en jeu dans ces fronts d’écrasements progressifs. Un montage expérimental innovant a été conçu. Il permet l'écrasement homogène, visualisé en direct, de plaques stratifiées. Une campagne expérimentale a permis d'obtenir une variété intéressante de mode de ruine. L'initiation, la stabilisation et les mécanismes d'absorption d'énergie dans les fronts d'écrasement sont analysés. Les relations entre chaque mode de ruine et l'influence des paramètres matériaux et expérimentaux sont expliquées. Une classification synthétique des modes de ruine est exposée. La modélisation numérique d'un front à l'échelle mésoscopique est proposée. Certains modes de ruine sont reproduits avec précision. Les mécanismes de ruine sont clairement identifiables et la contribution de chacun à l'absorption d'énergie est quantifiée. A key challenge for the industrial development of composite structures is to enhance its crashworthiness. Composites materials are known to absorb energy if they are crushed progressively. The aim of this thesis is to improve threw experimental and numerical study the understanding of the progressive crush mechanisms. An innovative crash test fixture has been designed in order to obtain real–time visualized homogeneous crush front on laminated plane specimens. An interesting variety of crush modes have been obtained by the experiments. Initiation, stability and energy absorption of the crush mechanisms are analysed. Connection between crush mode and influence of the material properties and experimental parameters are explained. A global classification of the crush mode is proposed. A finite element model of the crush front at mesoscopic scale is also developed. Some crush modes are simulated precisely. Crush mechanisms and their energy absorption contributions are clearly established.