Développement d'un modèle de durabilité de poutres composites unidirectionnelles renforcées par des fibres de verre
Development of a Durability Model Applied to Unidirectional Composites Beams Reinforced with Glass Fibers
1
Institut Français du Pétrole
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Ecole Centrale de Lyon
Auteur de correspondance : v. pauchard@ifp. fr
Les interactions entre le vieillissement humide de composites unidirectionnels verre/époxy et leur tenue en fatigue par flexion sont ici abordées dans le cadre d'un modèle de durabilité fondé sur des notions de corrosion sous contrainte. L'étude est focalisée sur les stades initiaux de l'endommagement par fatigue, qui sont caractérisés par l'accumulation diffuse, à l'échelle microscopique, des ruptures différées des monofilaments de verre constituant le renfort. Ces processus sont décrits à l'aide d'un modèle de corrosion sous contrainte faisant appel, d'une part, à la distribution initiale des défauts de surface des fibres, d'autre part, à la cinétique de croissance sous-critique de ces mêmes défauts sous l'action combinée des contraintes et de l'humidité. Ces aspects sont validés expérimentalement sur des mèches de fibres non imprégnées, puis à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif de composite. L'existence d'une relation empirique entre la densité de fibres rompues et la raideur en flexion trois points du matériau permet alors d'établir des expressions prédictives de la raideur. Celles-ci sont déduites du calcul de la probabilité de survie des fibres de verre. Le modèle aboutit à la détermination des cinétiques de perte de raideur de poutres de flexion composites en fonction de la nature du chargement mécanique de fatigue (niveau de déformation, fréquence, rapport de sollicitation) et des paramètres environnementaux (température, humidité). Les prédictions sont confrontées à des résultats expérimentaux obtenus sous chargements monotones, quasi statiques (relaxation) et de fatigue cyclique.
Abstract
The interactions between hygrothermal ageing and the flexural fatigue behavior of unidirectional glass/epoxy composites are investigated within the frame of a Stress Corrosion Cracking model. The study is focused on the initial damage development stages, i. e. when the degradation mainly consists in the non interactive accumulation of delayed fibers failures at the microscopic scale. These processes are described on the basis of a knowledge of the initial fibers surface defects distribution and from the determination of the subcritical crack growth rates of these surface flaws under the combined action of moisture and stress. The stress corrosion behavior of the glass reinforcement is established experimentally using successively unimpregnated fibers bundles and microscopic observations of a composite elementary volume under tensile stresses. An empirical relationship between the broken fibers density and the flexural stiffness allows to predict the macroscopic stiffness loss from the calculation of the fibers survival probability. The model accounts for the activation of the stiffness loss kinetics as a function of the fatigue (strain level, frequency, strain ratio) and environmental (temperature, humidity) parameters. Theoretical predictions are compared to experiments carried out under monotonic, relaxation and cyclic fatigue loading.
© IFP, 2001