Mechanical effects of oxidation induced shrinkage on organic matrix composites

Effet mécanique du retrait chimique induit par l’oxydation de composites à matrice organique

¹ Mechanical Laboratory, University Amar Telidji of Laghouat, Algeria
e-mail: a.yousfi@mail.lagh-univ.dz
² GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, UMR CNRS 6183, Université de Nantes - École Centrale de Nantes, France
³ Nonmetallic Materials Laboratory, University Ferhat Abbas of Setif, Algeria
⁴ Laboratory of engineering process, University Amar Telidji of Laghouat, Algeria

Received: 17 July 2010
Accepted: 23 June 2011

Abstract

The present work is focused on investigating the effects, due to the shrinkage, on the mechanical states occurring in composites structures made of organic matrix having been subjected to a thermal-oxidation process. The oxidation actually induces some matrix shrinkage which is reported to generate high local stresses. In the present work, effective mechanical properties of oxidized composite plies are determined according to Eshelby-Kröner self-consistent homogenization procedure, depending on the progress of the oxidation process. The results are compared to the corresponding properties estimated by the finite-element method. The macroscopic stresses undergone by each ply of the structure submitted to typical loads are deduced from the classical lamination theory and by the finite-element method, whereas the local stresses in both constituents are calculated for each ply of the structure, through an analytical stress concentration relation.

Résumé

Le présent travail est focalisé sur l’étude des effets dus au retrait, sur les états mécaniques dans les structures composites à matrice organique ayant été soumise à un processus d’oxydation thermique. L’oxydation induit en pratique un retrait considérable de la matrice qui produit d’importantes contraintes locales. Dans le présent travail, les propriétés macroscopiques effectives sont évaluées tout du long du processus d’oxydation au moyen du modèle auto-cohérent d’Eshelby-Kröner. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus grâce à la méthode des éléments-finis. Les états macroscopiques subis par chaque pli de la structure soumise à des chargements typiques sont déduits de la théorie classique des plaques stratifiées et de la méthode des éléments-finis, tandis que les états mécaniques locaux dans les constituants sont déterminés pour chaque pli de la structure, par des relations de transition d’échelles analytiques.