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  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    COMPORTEMENT SOUS CHOC DES COMPOSITES SANDWICHS ET

    INFLUENCE DES PARAMTRES DES MATRIAUX ET DU TEST

    AYMEN MAROUENE

    DPARTEMENT DE GNIE MCANIQUE

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    MMOIRE PRSENT EN VUE DE LOBTENTION

    DU DIPLME DE MATRISE S SCIENCES APPLIQUES

    (GNIE MCANIQUE)

    Dcembre 2010

    Aymen Marouene, 2010.

  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    Ce mmoire intitul:

    COMPORTEMENT SOUS CHOC DES COMPOSITES SANDWICHS ET INFLUENCE DES

    PARAMTRES DES MATRIAUX ET DU TEST

    prsent par : MAROUENE Aymen

    en vue de lobtention du diplme de : Matrise s sciences appliques

    a t dment accept par le jury dexamen constitu de :

    M.VADEAN, Aurelian, Doct, prsident

    M.BOUKHILI, Rachid, Ph.D., membre et directeur de recherche

    M.ATARSIA, Abdelatif, Ph.D., membre

  • iii

    DDICACE

    Je ddie ce mmoire

    mes parents

    mes frres et surs

    toute ma famille

    khaoula

  • iv

    REMERCIEMENTS

    Je tiens exprimer ma reconnaissance et ma profonde gratitude tous ceux qui mont

    donne la possibilit pour accomplir ce mmoire.

    Je voudrais tout dabord exprimer ma profonde reconnaissance mon Directeur de

    recherche, M. BOUKHILI Rachid, Professeur lcole Polytechnique de Montral, pour mavoir

    accueilli dans son groupe de recherche et de mavoir propos ce sujet passionnant sur ltude de

    la rponse limpact des structures sandwichs. Ses comptences scientifiques, notamment

    exprimentales, et ses ides pertinentes ont permis de mener bien ce projet. Je tiens

    particulirement le remercier pour la grande libert quil ma laisse et pour son sens de relation

    humaine.

    Jexprime galement mes sincres remerciements M. VADEAN Aurelian, Professeur

    lcole Polytechnique de Montral, qui ma fait lhonneur de participer au jury dexamen et de

    lavoir prsid.

    Je tiens galement adresser mes remerciements les plus profonds M. ATRASIA

    Abdelatif, spcialiste des matriaux composites Bombardier Aronautique, qui a accept

    dexaminer et de juger ce travail.

    Jadresse mes remerciements particuliers M. Christian-Charles Martel, technicien de

    dpartement de gnie mcanique, pour avoir mis ma disposition son temps et son exprience

    dans le domaine de la fabrication des matriaux composites par infusion.

    Je tiens remercier galement les tudiants gradus Thibaut CROCHON, Xavier

    GUILLOT, et Nicolas BOUDET qui ont contribu de manire significative ce projet.

    Mes remerciements sadressent galement tout le personnel du dpartement gnie

    mcanique, section Design et Fabrication de lcole Polytechnique de lUniversit de Montral.

  • v

    Je remercie galement la Mission Universitaire de Tunisie en Amrique du Nord

    (MUTAN) qui, par son soutien financier, a rendu possible le prsent travail.

    Finalement, jadresserai mon dernier remerciement, mais non le moindre, ma famille

    pour mavoir encourag durant toutes mes annes dtudes.

  • vi

    RSUM

    Bien que les structures sandwichs occupent actuellement une place considrable dans tous

    les secteurs industriels notamment le secteur aronautique, leur forte sensibilit aux chocs mmes

    des faibles vitesses soulve certaines inquitudes chez les constructeurs daronefs et tend

    limiter leur champ dapplication. En effet, les structures aronautiques sont susceptibles dtre

    exposes des chocs accidentels de diverses origines (chutes doutils lors de maintenance, chocs

    entre deux panneaux lors de lassemblage, impact doiseaux pendant la vie en service de

    lavion) dont les consquences sont souvent redoutables. Pour cela, une mthode de tolrance

    aux dommages est adopte pour la certification de ces structures. Cette mthode vise valuer la

    rsistance rsiduelle dune structure endommage et donc quantifier leffet des dommages sur

    les performances mcaniques de ces structures. Ceci va nous permettre de construire des

    structures plus rsistantes aux dommages. Cest dans cette optique que nous nous sommes

    intresss ltude du comportement limpact des panneaux sandwichs constitus avec des

    peaux stratifies verre-E/vinyle-ester et une me en mousse PVC rigide.

    Dans un premier temps, pour raliser les tests dimpact, divers panneaux sandwichs (17 x

    45 po) ont t fabriqus par moulage sous vide. Pour des finalits de recherche, deux densits

    dme ont t retenues (58.5 Kg/m et 92 Kg/m). Les peaux ont t constitues avec deux

    paisseurs diffrentes (2 et 3 plis) respectivement selon les squences dempilement suivante

    [0/90/ -45/+45]s et [0/90/-45/+45/90/0]s. Le chargement dimpact a t simul par un dispositif

    masse tombante sur des chantillons mesurant 4 po x 6 po et en utilisant trois diamtres

    dimpacteur (, 1 et 1 po). Les rsultats des tests dimpact (courbes force-temps) associs

    linspection visuelle des chantillons impacts, nous ont permis dvaluer la svrit de

    dommages provoqus par les sollicitations dimpact. Par ailleurs, en nous rfrant aux courbes

    nergies-temps, nous avons pu dterminer lindice dendommagement (ID) pour chaque

    chantillon impact. Les rsultats sont ensuite prsents sous la forme de courbes o lon porte en

    abscisse le pourcentage dnergie absorbe et en ordonne lnergie fournie. Ces courbes ont

    permis de dterminer la valeur critique dnergie dimpact laquelle une transition entre les

    diffrents types de dommages est observe. De l, nous avons pu dterminer leffet de diffrents

  • vii

    paramtres structuraux (densit dme et paisseur de peaux) et exprimentaux (diamtre

    dimpacteur) sur la rponse limpact de nos chantillons, particulirement la zone de

    transition. Dans un deuxime temps, des tests de compression aprs impact (CAI) ont t

    conduits sur une machine de fatigue MTS. Ces essais ont pour objectif principal de mesurer

    linfluence de la prsence dun dommage de type BVID (dommage peine visible) sur la

    rsistance en compression des structures sandwichs impactes. Pour ce faire, les rsistances

    rsiduelles en compression sont normalises par rapport la rsistance initiale la rupture dun

    sandwich non endommag, et sont prsentes en fonction de lindice dendommagement.

    Finalement, les rsultats des essais dimpacts masse tombante ont suscit la ralisation dessais

    statiques. Ces tests statiques consistent reproduire les dommages induits lors dun chargement

    dynamique dimpact par une mthode de chargement statique. lissue de ces tests, nous avons

    pu cerner la zone de transition en termes de profondeur.

    Mots cls : structure sandwich, impact, tolrance aux dommages, CAI, BVID, me en mousse,

    verre-E, diamtre dimpacteur, poinonnement statique

  • viii

    ABSTRACT

    Although the sandwich structures currently occupy a considerable place in all the

    industrial sectors including aerospace, their high sensitivity to low velocity impact raises some

    concerns among aircraft manufacturers and tends to limit their scope. The aeronautical structures

    are likely to be exposed to accidental shocks of various origins (falls of tools during maintenance,

    shocks between two panels during the assembly, impact of birds during the service life,) whose

    consequences are often undesirable. For that, a damage tolerance approach is adopted for the

    certification of these structures. The aim of this method is to evaluate the residual resistance of a

    damaged structure and thus to quantify the effect of the damage on the mechanical performances

    of these structures. This will allow us to make structures more damage tolerant. Accordingly, we

    were interested to study the impact behavior of sandwich panels made with laminated skins glass-

    E/vinyl-ester and a rigid PVC foam core.

    To carry out the tests of impact, various sandwich panels (17 x 45 po ) were

    manufactured by resin infusion and vacuum molding. For research testing purposes, two core

    densities were retained (58.5 kg / m and 92 kg / m). The facesheets were made up with two

    different thicknesses (2 and 3 plies) respectively according to the following stacking sequences

    [0/90/-45/+45]s and [0/90/-45/+45/90/0]s. The impact loading was simulated by a drop-weight

    tower on samples measuring 4 po x 6 po, using three impactor diameters (, 1 and 1 po). The

    results of impact tests (force-time signal) associated with visual inspection of samples impacted,

    have allowed to evaluate the severity of damage caused by the impact. In addition, with reference

    to the energy-time curves, we have determined the damage index (ID) for each impacted sample.

    The results are subsequently presented in the form of curves where the abscissa is the percentage

    of absorbed energy and the ordinate is the supplied energy. These curves were used to determine

    the critical value of impact energy at which a transition between different categories of impact

    damage is observed. Thus, we could determine the effect of various structural parameters (density

    of core and thickness of facesheets) and experimental (diameter of impactor) on the response to

    the impact of our samples, especially in the transition zone. In addition, tests of compression after

    impact (CAI) were conducted on a conventional MTS fatigue machine. The main objective of

  • ix

    these tests was to measure the compressive strength of sandwich structures containing barely

    visible impact damage. To achieve this goal, the residual comp