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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),

http://perso.normandnet.fr/jchcoucou/aero/technics-build/verre.htm

http://perso.normandnet.fr/jchcoucou/aero/technics-build/carbone.htm


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

Unidirectionnels

Fjijijij

klijklij

ij,ij

YsurnFn

Ydans)u(S)u(

Ydans0f;0

• Approche ij •Approche ij

Structures composites Approche de Whitney-Riley

12

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

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

Structures composites Résultats de

l'homogénéisation

Unidirectionnel de verre E / résine époxyde

1

2 2

1

23G12G

12

21

23

2E

1E

Structures composites Approche pour les tissus

15

bycos

axcos

4hz

bycos

axcos

4h

)2/b(y0,ax)2/a(3mèche

bycos

axcos

4hz

bycos

axcos

4h

)2/b(y0,)2/a(x02mèche

axcos

bycos

4hz

bycos

axcos

4h

)2/b(y0,ax01mèche

)bysin

b4h(Arctg)y(

)axsin

a4h(Arctg)x(

1

4

3

2b

a

h1

Structures composites Approche pour les tissus

dxdydzQabh

1Q5

1K D

kijij

k

Structures composites Résultats de l ’homogénéisation

Tissu de verre / résine époxyde

12

2313

21 EE

3E12G

2313 GG

21

3

21

3


klijklij ε.Cσ

XXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXX

CCCCCCCCC 113311321131112311221121111311121111

33

32

31

23

22

21

13

12

11

σσσσσσσσσ

33

32

31

23

22

21

13

12

11

εεεεεεεεε

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


Symétrie des opérateurs

jiij εε klijklij ε.Cσ jiij σσ

klij εetσ

XXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXX

CCCCCCCCC 113311321131112311221121111311121111

33

32

31

23

22

21

13

12

11

σσσσσσσσσ

33

32

31

23

22

21

13

12

11

εεεεεεεεε


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

3

4

2

5

6

1

33

23

22

13

12

11

σσσσσσ

σσσσσσ

6

5

4

3

2

1

σσσσσσ

3

4

2

5

6

1

33

23

22

13

12

11

εεεεεε

εεεεεε

6

5

4

3

2

1

εεεεεε

126

135

234

3

2

1

ε2ε2ε2ε2ε2ε2

εεε

ijij

))ji(9(ij

iii

))ji(9(ij

iii

γε2

jipourεεjipourεε

jipourσσjipourσσ

RdM

ELASTICITE


Evolution de la loi de comportement

ijij εdeetσdeSymetrie

81 constantesklijklij ε.Cσ

36 constantes

ijCdeSymétrieesénergétiquMéthodes

21 constantes

Structures composites Axes de symétrie

X1

X2

X3

x3 = 0

x1 = 0

x2 = 0


;

;

Structures composites Matériaux particuliers

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