Étude multi-échelles des contraintes résiduelles de fabrication dans un matériau composite méso-structuré

A multi-scale study of residual cure stresses in a meso-structured composite material

Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (UMR CNRS 6183), LUNAM Université, Université de Nantes, École Centrale de Nantes 37, Bd de l’Université, BP 406, 44602 Saint-Nazaire, France
e-mail : emmanuel.lacoste@univ-nantes.fr; frederic.jacquemin@univ-nantes.fr; sylvain.freour@univ-nantes.fr

Reçu : 27 Septembre 2011
Accepté : 28 Novembre 2011

Résumé

Cet article traite du calcul des contraintes résiduelles de cuisson dans le Hextool^®, un matériau composite carbone – organique, qui se présente comme un mat à renforts mésoscopiques courts. Une modélisation multiéchelles de son comportement mécanique a été effectuée à l’aide d’un modèle d’homogénéisation « à champ moyen » (modèle autocohérent d’Eshelby-Kröner). Une méthode en deux étapes est utilisée, afin de représenter la microstructure des renforts unidirectionnels, puis la mésostructure du pli Hextool, et permet de calculer les propriétés effectives du matériau, ainsi que les contraintes locales (résiduelles et de service). Des données expérimentales ont permis d’établir la cinétique de cuisson de la résine, et de modéliser son durcissement, qui est pris en compte de façon incrémentale. Les résultats indiquent que les contraintes résiduelles impactent fortement la résistance du matériau en service.

Abstract

This paper is dedicated to the computation of the residual cure stresses in the Hextool^®, a carbon-organic composite material, which is represented as a matt made of short mesoscopic reinforcements. A multi-scale simulation of its mechanical behaviour is carried out with a “mean-field” homogenization model (Eshelby-Kröner’s self-consistent model). A two-steps method is used in order to represent the microstructure of the unidirectional reinforcements, then the mesostructure of the Hextool ply, and enables one to compute the effective properties of the material and the (residual and service) local stresses. Some experimental data are used to establish the cure kinetics of the material, and the hardening phenomenon, which is taken into account incrementally. The results indicate that the residual stresses have a heavy impact on the resistance of the material in service life.