Structures composites Matière : Structures composites Discipline : Génie Mécanique Enseignement de 4ème année ou semestre 8 Domaine : Génie MécaniqueEnseignement

Structures composites Matière : Structures composites

Discipline : Génie Mécanique

Enseignement de 4ème année ou semestre 8

Domaine : Génie Mécanique Enseignement : optionnelEnseignement : semestre S8

Heures d’enseignement : 12hRépartition des heures : Cours : 6h/ TD : 6h

Travaux de laboratoire : 12h (3 séances de 4heures)Travail induit : rapport

CODE: Nombre de crédits : 2

Nom du responsable : M. Karama Les noms des chargés de l’enseignement : M. Karama / B. Lorrain

CONTENU Ce cours a pour objectif d'apporter à l'étudiant les moyens d'utiliser efficacement les matériaux composites stratifiés pour la conception de pièces et de structures.PROGRAMME -Comportement mécanique des matériaux composites (plis, stratifiés, sandwiches)-Critères de rupture, tolérance aux dommages-Méthodes expérimentales pour caractériser les matériaux composites-Applications industrielles (aéronautique, ferroviaire, automobile...)-Les travaux pratiques porteront sur la simulation numérique par élémets finis des structures multicouches et sandwiches de types poutres, plaques et coques. Le Logiciel utilisé est SAMCEFBIBLIOGRAPHIE CONSEILLEE : BERTHELOT, J.-M. Matériaux composites - Comportement mécanique et analyse des structures, 3e éd., Paris, Editions Tech & Doc, 1999.GAY, D., Matériaux composites, 1997, Edition Hermès, Paris, 4ème Edition.MODE D’EVALUATION: -DS : Epreuve de synthèse ( avec documents), validation de l’unité de formation : (DS+ TP)/2PRE-REQUIS OBLIGATOIRE : Mécanique générale, RDM, Mathématiques, physique, matériaux, Mécanique appliquée1 et 2, méthodes numérique S7, calcul de structures S7TRAVAIL PERSONNEL : 1 heures /semaine

Structures composites

Introduction

Mécanique des milieux anisotropes

Théorie des stratifiés

Critères de limite élastique

Méthodes expérimentales

Applications


12h cours /TD 12 TP SAMCEF


JARGON DU PETIT COMPOSITEUR :

Un matériau composite résulte de l'association intime d'au moins deux

matériaux

non miscibles, dont les qualités se combinent avec synergie.

C'est donc, par essence même, un produit hétérogène.

Pour les composites plastiques les deux constituants sont les suivants

:

LE RENFORT - LA MATRICE

Outre ces deux constituants de base, on trouve également :

L'INTERFACE - LA CHARGE - ADDITIFS SPECIFIQUES


LE RENFORT - LA MATRICE L'INTERFACE - LA CHARGE - ADDITIFS SPECIFIQUES (1/2)

Le renfort : Il constitue l'armature, ou le squelette, assurant la tenue

mécanique (résistance à la traction et rigidité).

Il est par définition de nature filamentaire. Ex : La fibre de Verre -

Le Carbone - Le Kevlar. (Fibre Minérale ou Organique),

La matrice : Elle lie les fibres renforts, répartit les efforts et assure une

protection chimique, en donnant de plus la forme du produit à réaliser. C'est

par définition un polymère ou une résine. Ex : Le polyester - L'Epoxy,

L'interface : Assure la compatibilité renforts-matrice, en transmettant les

contraintes de l'un a l'autre, sans déplacement relatif. (bonne adherence en

couche fine : de l'ordre du micron),


La charge : Apportant des propriétés particulières ou

complémentaires, ou encore permettant un abaissement du prix de

revient. Contrairement aux renforts, les charges ne sont pas

filamentaires mais sous forme de particules. Ex : micro ballon,

Additifs spécifiques : Catalyseurs, accélérateurs de

polymérisation, agent tixotropique.

LE RENFORT - LA MATRICE L'INTERFACE - LA CHARGE - ADDITIFS SPECIFIQUES (2/2)

Structures composites PROPRIETES REMARQUABLES DU

M-COMPOSITE (1/2)

Autres propriétés intéressantes des composites, ils ne se plastifient pas. Leur limite élastique correspond à la limite de rupture. Ceci est très important pour les zones des pièces composites sujettes aux concentrations de contraintes (Trous -Entailles...)

Les M-C sont très résistants à la fatigue et à la chaleur. Ils ont une meilleure tenue au feu que les alliages légers pour une épaisseur identique. Par-contre les fumées émises lors de la combustion de certaines matrices s'avèrent toxiques.

Structures composites PROPRIETES REMARQUABLES DU

M-COMPOSITE (2/2)

Un petit reproche, les M-C vieillissent sous l'action de l'humidité et de la chaleur. Mais ils ne se corrodent pas sauf cas particulier de : Aluminium - Fibre de Carbone, il se produit un phénomène galvanique entraînant des corrosions rapides.

Cependant, ils ont tout de même leurs faiblesses, les résines époxydes ne supportent pas les décapants de peinture, en revanche, graisses, huiles, liquides hydrauliques, peintures, pétrole et Solvants sont des produits compatibles sans réel souci.

Les M-C ont une tenue aux impacts et aux chocs moyenne, inférieure à celle des Matériaux métalliques.


Validation expérimentale

Micro

Méc.

Macro

Méc.

STRUCTURE

TEMPERATUREHYGROMETRIE

MATRICEFIBRE

COUCHE STRATIFIE

CHARGEMENTOutils d’aide à la conception

Calcul de structures



jiju)m()f(ii

klijklij

ij,ij

x)u(U

)m()f(dans)u(C

)m()f(dans0f;0

jiju)m()f(ii

klijklij

ij,ij

x)u(U

)m()f(dans)u(C

)m()f(dans0f;0

Unidirectionnels

Fjijijij

klijklij

ij,ij

YsurnFn

Ydans)u(S)u(

Ydans0f;0

Fjijijij

klijklij

ij,ij

YsurnFn

Ydans)u(S)u(

Ydans0f;0

• Approche ij• Approche ij •Approche ij

•Approche ij

Structures composites Approche de Whitney-RileyApproche de Whitney-Riley

12

mrrmr1112m

celluler )U(rU

mrrmr1112m

celluler )U(rU

Pb. 1:11 1

Pb. 2: 12(Pb1)

Pb. 3: (L.M.) 23

Pb. 4: 222 = -p

Pb. 5:12

G==23

31

0)U(mrr1 0)U(mrr1

231212,21 ,,GE,E 231212,21 ,,GE,E

(m)

(f)

Celluleélémentaire

X2

X3j

i

0rr)mr(

1x11rr)m1U(rr)

f1U(

rr)mrU(rr)

frU(

rr)mr(rr)

fr(

m

ff

ff

ff


Résultats de l'homogénéisation

Résultats de l'homogénéisation

Unidirectionnel de verre E / résine époxydeUnidirectionnel de verre E / résine époxyde

11

22 22

11

23G23G12G12G

1212

2121

2323

2E2E

1E1E

Structures composites Approche pour les tissusApproche pour les tissus

15

b

ycos

a

xcos

4

hz

b

ycos

a

xcos

4

h

)2/b(y0,ax)2/a(

3mèche

b

ycos

a

xcos

4

hz

b

ycos

a

xcos

4

h

)2/b(y0,)2/a(x0

2mèche

a

xcos

b

ycos

4

hz

b

ycos

a

xcos

4

h

)2/b(y0,ax0

1mèche

b

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)2/b(y0,ax)2/a(

3mèche

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4

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)2/b(y0,)2/a(x0

2mèche

a

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4

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b

ycos

a

xcos

4

h

)2/b(y0,ax0

1mèche

)b

ysin

b4

h(Arctg)y(

)a

xsin

a4

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)b

ysin

b4

h(Arctg)y(

)a

xsin

a4

h(Arctg)x(

11

44

33

22bb

aa

hh11

Structures composites Approche pour les tissusApproche pour les tissus

dxdydzQabh

1Q

5

1KD

kijij

k

dxdydzQabh

1Q

5

1KD

kijij

k


Résultats de l ’homogénéisationRésultats de l ’homogénéisation

Tissu de verre / résine époxydeTissu de verre / résine époxyde

1212

2313 2313

21 EE 21 EE

3E3E12G12G

2313 GG 2313 GG

21 21

33

21 21

33


klijklij ε.Cσ klijklij ε.Cσ

XXXXXXXXX

XXXXXXXXX

XXXXXXXXX

CCCCCCCCC 113311321131112311221121111311121111

33

32

31

23

22

21

13

12

11

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

33

32

31

23

22

21

13

12

11

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

33113332113231113123112322112221112113111312111211111111 ε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cσ 33113332113231113123112322112221112113111312111211111111 ε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cσ


Symétrie des opérateurs

jiij εε jiij εε klijklij ε.Cσ klijklij ε.Cσ jiij σσ jiij σσ

klij εetσ klij εetσ

XXXXXXXXX

XXXXXXXXX

XXXXXXXXX

CCCCCCCCC 113311321131112311221121111311121111

33

32

31

23

22

21

13

12

11

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

33

32

31

23

22

21

13

12

11

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε


61651541431321211111 ε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cσ 61651541431321211111 ε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cε.Cσ jiji ε.Cσ jiji ε.Cσ

3

4

2

5

6

1

33

23

22

13

12

11

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

6

5

4

3

2

1

σ

σ

σ

σ

σ

σ

3

4

2

5

6

1

33

23

22

13

12

11

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

6

5

4

3

2

1

ε

ε

ε

ε

ε

ε

126

135

234

3

2

1

ε2ε2

ε2ε2

ε2ε2

ε

ε

ε

ijij

))ji(9(ij

iii

))ji(9(ij

iii

γε2

jipourεε

jipourεε

jipourσσ

jipourσσ

ijij

))ji(9(ij

iii

))ji(9(ij

iii

γε2

jipourεε

jipourεε

jipourσσ

jipourσσ

RdMRdM

ELASTICITEELASTICITE


Evolution de la loi de comportementEvolution de la loi de comportement

ijij εdeetσdeSymetrie ijij εdeetσdeSymetrie

81 constantes81 constantesklijklij ε.Cσ klijklij ε.Cσ

36 constantes36 constantes

ijCdeSymétrie

esénergétiquMéthodes

ijCdeSymétrie

esénergétiquMéthodes21 constantes21 constantes


Structures composites Axes de symétrieAxes de symétrie

X1

X2

X3

x3 = 0

x1 = 0

x2 = 0




;

;











Matériaux particuliersMatériaux particuliers





















Documents

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