Etude de l'endommagement de plaques composites en verre/epoxy soumises à la fatigue par chocs

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علوم تطبيقية وتكنولوجية

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Les composites sont principalement constitués de deux phases ; l’une des phases se présente généralement sous une forme fibreuse, continue ou discontinue, disposée de façon judicieuse à l’intérieur de la deuxième phase dénommée matrice. Cette association entre fibre et matrice permet de bénéficier simultanément des avantages de chacune des deux phases : forte résistance et haut module pour les fibres, faible densité et bonne résistance aux agents chimiques et climatiques des matrices. Ces qualités particulières des composites : forte résistance associée à une faible densité, font que les premières utilisations de ces composites, en tant que matériau de structure, se sont produites dans le domaine aérospatial. Actuellement, leur domaine d’applications comme matériau de structure s’est considérablement élargi, et atteint pratiquement tous les grands domaines de l’industrie aussi bien civile que militaire : transport, bâtiment, aéronautique, constructions automobile et navale, équipements sportifs, etc. Néanmoins, ces matériaux ne peuvent échapper à des faiblesses qui constituent un handicape certain pour une utilisation plus répandue. En effet, leurs modes complexes d’endommagement restent difficiles à cerner, particulièrement les dommages induits par les chocs. Les matériaux composites stratifiés sont très susceptibles à l’endommagement généré par les gouttes de pluie, grêlons, débris, particules solides et chute d’outils lors des opérations de maintenance. Le comportement sous choc d’un composite revêt alors un intérêt essentiel. Sous un chargement par choc, ces stratifiés subissent des dommages, tels que : fissuration de matrice, formation de cratères, rupture des fibres, en plus des délaminages inter-plis. De nombreux travaux ont montré qu’à cause de ces dommages, les propriétés mécaniques des composites peuvent être sévèrement altérées. Généralement, dans les matériaux composites stratifiés, le mode de détérioration le plus néfaste est le délaminage qui est en relation étroite avec la dégradation de la résistance du composite. Par conséquent, vu l’utilisation à long terme des matériaux composites comme éléments de structure, la recherche sur le comportement des dommages générés par les impacts répétés à basse énergie revêt un caractère d’importance capitale. En effet, les éléments de structure en composite peuvent être soumis, dans certains cas, à des impacts répétitifs de basse énergie (<10J) sur des sites localisés. Malgré cet état de fait, peu de travaux se sont intéressés à la fatigue par chocs sur les matériaux composites. Nous citons dans ce qui suit quelques exemples de structures composites soumises à des centaines, voire des milliers d’impacts pendant leurs durées de vie : Le capot d’une voiture subit lors de sa fermeture un choc qui peut à la longue détériorer le mécanisme de fermeture. Le constructeur automobile Renault estime que pendant 10 ans le capot d’une voiture subit plus de 5000 chocs. Il est à préciser que la partie qui reçoit les chocs est soit un hybride acier + composite soit entièrement en composite. Dans le domaine des ouvrages d’art, on adopte de plus en plus la solution composite comparativement aux solutions traditionnelles ; à l’inverse du béton qui se casse par une rupture catastrophique, le composite par contre se casse par une rupture graduelle. En effet, l’utilisation de panneaux composites sandwiches, qui consiste à appliquer sur une âme en mousse imprégnée de résine deux stratifiés tissés à base de fibres de verre, comme éléments de structure est une des techniques modernes rentrant dans la construction de ponts. Les ingénieurs du génie civil évaluent le nombre de chocs que reçoivent les panneaux composites à des milliers de chocs pendant la durée d’utilisation du pont, et qui se situe entre 80 ans et 100 ans. La rupture des panneaux tissés en fibres de verre commence localement paquet de fibres par paquet de fibres (rupture graduelle), ce qui permet d’éviter les ruptures catastrophiques. Les chocs des vagues en mer sur les coques de navires ou de petits submersibles, sur les dérives ou carénages des sous-marins, sur les plate-formes de forage de pétrole en mer sont autant d’exemples de structures composites, généralement en polymère renforcé par des fibres de verre, subissant des chocs pouvant altérer considérablement leurs propriétés mécaniques. De même, les avions civils ou militaires peuvent être soumis quelque fois à des impacts répétés provenant des gouttes de pluie, de la chute de grêlons et d’impacts d’oiseaux ou objets divers. La vitesse de croisière d’un avion de ligne, par exemple, peut atteindre 800km/h, ce qui accroît considérablement la force d’impact d’une goutte de pluie ou grêlon ou autre objet. Dans le domaine des équipements sportifs et de loisir, on peut citer : le scooter des neiges qui subit des milliers de chocs pendant sa durée d’utilisation, les paires de skis, toute la gamme des planches de surf mais aussi les jets-skis. L’absence d’une normalisation des essais de fatigue par chocs concernant la machine d’essai, les dimensions des éprouvettes, le type et le nombre d’appuis ainsi que la géométrie des projectiles, font que ces études sont peu nombreuses et certains résultats semblent de fait contradictoires. En effet, les travaux que nous avons consulté montrent que chaque auteur utilise son propre dispositif de fatigue par chocs, cela ne permet pas de comparer les résultats obtenus par tel et tel procédé sans évoquer le problème de fiabilité des techniques expérimentales utilisées.

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Etude de l'endommagement de plaques composites en verre/epoxy soumises à la fatigue par chocs

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construction Matériau composite, Génie mécanique

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