ASSEMBLAGES NAVALS ET MATÉRIAUX COMPOSITES

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1 ASSEMBLAGES NAVALS ET MATÉRIAUX COMPOSITES Dr. Mostapha TARFAOUI, HDR Qualification: Professeur des Universités ENSTA Bretagne LBMS - EA 4325 Laboratoire Mécanique des Structures Navales 2 rue François Verny, Brest Tel: [email protected] Journée nautisme - 15 septembre / 33

2 HISTOIRE DES COMPOSITES DANS LE NAVAL Fin des années 30: Brevet US Années 40: début des bateaux GRP 1941: Chasseur de mines finlandais KUHA Class (17,1m) 1970: Bateau de pêche Apollo (16.3 m) 1972: Navire militaire HMS Wilton (46 m) Ans d Expérience dans la Réalisation des Navires en Composites Avancés: Conception et fabrication Journée nautisme - 15 septembre / 33

3 CORVETTE VISBY Corvette Visby (2001) Le plus grand objet mobile du monde établi en sandwich CFRP : Longueur 73 m Largeur 10.4 m Déplacement 600 tonne Vitesse 40 nœuds 50 Ans d Expérience dans la Réalisation des Navires en Composites Avancés: Conception et fabrication Chaque navire se compose de ~160 tonnes de matériaux composites Journée nautisme - 15 septembre / 33

4 COÛT DU CYCLE DE VIE Comparaison du CCV sur le ferry à grande vitesse : Coûts du cycle de vie : Frais d'acquisition Coûts d'exploitation Coûts de disposition Longueur 128 m Voitures 250 Passagers 1000 Durée de vie 25 ans Trois versions : Acier/aluminium Tout aluminium Tout sandwich CFRP Journée nautisme - 15 septembre / 33

5 COÛT DE CYCLE DE VIE Comparaison du CCV pour le ferry à grande vitesse : 22 % CCV inférieur pour le composite Epargner jusqu'à 30 % de CCV possible Journée nautisme - 15 septembre / 33

6 ACTIVITES DE RECHERCHE - PARTENAIRES PARTENAIRES: - UNIVERSITAIRES - INDUSTRIELS - AUTORITES Journée nautisme - 15 septembre / 33

7 ACTIVITES DE RECHERCHE Problématique Deux grandes familles de sollicitations, critiques au regard de la durabilité des structures navales: Impacts sur structures (slamming, blast, ) Fatigue due aux chargements cycliques Identification et quantification des dommages associés à la définition d un coefficient de sécurité qui va déterminer la durabilité de la structure ou du système concerné. Le passage métallique-composite suppose un haut degré de confiance. Contexte Matériaux et structures: composites Sollicitations: statique, dynamique, fatigue Milieu: naval Journée nautisme - 15 septembre / 33

8 ACTIVITES DE RECHERCHE Mes activités de recherche s articulent principalement autour du développement d approches: Expérimentales: valider et exploiter des méthodologies originales Théoriques: lois de comportements Numériques: formulation de nouveaux éléments - endommagement Lignes directrices Compréhension de l apparition et de l évolution de l endommagement Mieux décrire Mieux simuler le comportement macroscopique de matériaux et structures composites par des approches multi-échelles en intégrant certains aspects de leur microstructure Mieux optimiser Journée nautisme - 15 septembre / 33

9 PRESENTATION DES PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES la thématique des structures composites se décline en plusieurs thèmes : Comportement des structures composites: - Résistance résiduelle des enceintes endommagées Réponse dynamique et endommagement Effet de taille et d échelle Modélisation numérique du dommage Vieillissement hygrothermique Assemblages Les assemblages en T Les panneaux raidies Les assemblages collés Caractérisation dynamique des matériaux composites Essais dans le plan Essais hors plan Journée nautisme - 15 septembre / 33

10 ACTIVITES DE RECHERCHE PRESENTATION DES PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES 1. Résistance résiduelle des enceintes endommagées par impact accidentel 2. Assemblages 3. Caractérisation dynamique des matériaux composites 4. Conclusions Journée nautisme - 15 septembre / 33

11 1 METHODOLOGIES Synthèse des besoins industriels: Nécessité de progresser sur le traitement de la tolérance aux défauts Prévision de l apparition des défauts: défauts de fabrication endommagements accidentels Déficience en termes de données bibliographiques AUV AUTOSUB (L=7m, Ø=0.9m) Chocs sur cylindres manutention, service Quel endommagement? Caractérisation Nocivité du dommage? Essais sous pression Modèle (échelle) Dispositif d impact: puits de chute Dommage suite à un impact accidentel Essai d implosion Tube testé en pression externe Journée nautisme - 15 septembre / 33

12 1 Matériaux - structures ESSAIS DYNAMIQUES - Réponses Réponse dynamique Procédé: enroulement filamentaire Composite verre E/époxy - [ 55] 10 Tubes: =55, h=110, t=6 V f =60%, V d =3% Dispositif Vitesse maximale 8 m/s Energie maximale 50 J Surfaces externes Efforts de contacts à 5, 10 et 45 J 10 mm 16 J Surfaces internes 10 mm 30 J Endommagement 19J Analyse US 16 J 30 J Découpes axiales et circonférentielles d un tube impacté à 9J Journée nautisme - 15 septembre / 33

13 ANALYSE ELEMENTS FINIS finite elements modelling of impact Damage numerical investigation FEA of residual strength Elastic responses with Explicit and Implicit algorithms, 2 J impact (1.55 m/s) Damage modelling: material property degradation Experimental and numerical elastic strain Journée nautisme - 15 septembre / 33

14 1 RESISTANCE RESIDUELLE Essais d implosion et résistance résiduelle Essais d implosion et résistance résiduelle Vitesse de pressurisation 1,2 MPa/mn Température de la chambre 18 C Instrumentation jusqu à 100 MPa Tube sain 20 J 12 J Tubes avant test d implosion Tube sain 20 J 12 J Enceinte hyperbare Tubes après test d implosion Journée nautisme - 15 septembre / 33

15 ACTIVITES DE RECHERCHE PRESENTATION DES PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES 1. Résistance résiduelle des enceintes endommagées par impact accidentel 2. Assemblages 3. Caractérisation dynamique des matériaux composites 4. Conclusions Journée nautisme - 15 septembre / 33

16 2 ASSEMBLAGE D UNE SUPERSTRUCTURE Assembly Sandwich panels With joined connection elements Photos [DCNS Lorient] Journée nautisme - 15 septembre / 33

17 Motivation 2-A ASSEMBLAGES: CONTEXTE & PROBLÉMATIQUE Contribuer à la conception et au développement d assemblages de superstructures capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères Nouveaux concept pour accroitre la résistance intralaminaire Nouvelle approche pour accroitre la résistance au délaminage Protection anti-mine et anti-blast Comparaison de deux techniques d assemblage: collage et stratification CHARGEMENT DYNAMIQUE: Slamming, Collision, Impact, Blast, Vaisseaux de guerre Comportement & Zones critiques? Comment améliorer la résistance d une plaque raidie? Section droite d une carène et géométries des panneaux raidis formant la section transversale de la coque de bateau Journée nautisme - 15 septembre / 33

18 2-A PLAQUES RAIDIES Essais statiques Structure stratifiée Arrachement Structure collée Flexion Endommagements Journée nautisme - 15 septembre / 33

19 2-A PLAQUES RAIDIES Essais dynamiques Machine de choc Essai à 15m/s V = 15 m/s Journée nautisme - 15 septembre / 33

20 2-B Projet EUCLID ASSEMBLAGES EN T Pb délaminage Motivation Contribuer à la conception et au développement d assemblages de superstructures capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères Nouveau concept pour augmenter la résistance à la rupture intralaminaire Nouvelle approche pour accroitre la résistance au délaminage Protection Anti-mine et anti-blast Frégate Lafayette Zone critique Chargement dynamique: Impact-Effet de souffleetc. Journée nautisme - 15 septembre / 33

21 GIi(kJ/m²) GIc(kJ/m²) 2-B ASSEMBLAGES EN T Comment améliorer la résistance et limiter la propagation du délaminage? ETUDE EXPERIMENTALE Matériaux: Fibres de verre + matrice vinylester Couture: fil de polyester (75 tex) 4 types: standard, cousu, 2.5D et 3D Couture Standard Cousu Renfort 2.5D Standard Cousu Renfort 2.5D Standard Cousu Renfort 2.5D Standard Cousu Renfort 2.5D Renfort 2.5-3D ETUDE NUMERIQUE Résistance au délaminage Z-pins Courbe force-déplacement d une éprouvette DCB cousue Journée nautisme - 15 septembre / 33

22 2-B ESSAIS D ARRACHEMENT T Standard 3D 2D Endommagements des structures en T Endommagement et rupture des assemblages en T avec et sans couture Modèle EF Journée nautisme - 15 septembre / 33

23 ACTIVITES DE RECHERCHE PRESENTATION DES PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES 1. Résistance résiduelle des enceintes endommagées par impact accidentel 2. Assemblages 3. Caractérisation dynamique des matériaux composites 4. Conclusions Journée nautisme - 15 septembre / 33

24 3 CARACTERISATION DYNAMIQUE D UN COMPOSITE VERRE/EPOXY Sollicitations en milieu naval 4 plages d évolution de la vitesse de déformation pour l étude du comportement du matériau et son analyse. Conditions de chargement Vitesse de déformation, (s -1 ) Temps pour atteindre 100MPa, (s) Slamming Collision Impact Souffle d explosion > ENDOMMAGEMENTS: - intralaminaires: fissuration de la matrice - interlaminaires: délaminage - Rupture Journée nautisme - 15 septembre / 33

25 3 CARACTERISATION DYNAMIQUE D UN COMPOSITE VERRE/EPOXY Essais dynamiques Orientations: [0] 40 - [ 20 ] 20 - [ 30 ] 20 - [ 45 ] 20 - [ 60 ] 20 - [ 70 ] 20 - [90] 40 Essais (cubes: L=13mm) Essais dans le plan Bertram Hopkinson Essais hors plan Schéma du dispositif expérimental: barres d Hopkinson Pressions d impact s 2000 s 1 9 Pression ( bar) 3 Essais minimum pour chaque pression Plus de 300 essais sur les barres Journée nautisme - 15 septembre / 33

26 3 COMPORTEMENT DYNAMIQUE Essais HP Analyse de l endommagement DP [0 ] 40 [0] 40 P=1bar (725 s -1 ) P=1.2bar (1337 s -1 ) [ 45 ] 20 P=1.2 bar (969 s -1 ) P=1.4 bar (1134 s -1 ) [90 ] 40 P=0.8 bar (665 s -1 ) P=1 bar (1112 s -1 ) Journée nautisme - 15 septembre / 33

27 Strain (%) Load (kn) 3 ANALYSE ELEMENTS FINIS Influence du coefficient X f=0.10 f= f= Inc_f=0.10 Tra_f=0.10 Inc_f=0.15 Tra_f=0.15 Inc_f=0.20 Tra_f= Time (ms) Déformation incidente Displacement (mm) Énergie incidente et transmise Essai DP, [20] 20 P=1.2 bar Evolution du délaminage du composite, essai DP P=1.2 bar Evaluer ce coefficient Journée nautisme - 15 septembre / 33

28 ACTIVITES DE RECHERCHE PRESENTATION DES PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES 1. Résistance résiduelle des enceintes endommagées par impact accidentel 2. Assemblages 3. Caractérisation dynamique d un composite verre/époxy 4. Conclusions Journée nautisme - 15 septembre / 33

29 CONCLUSIONS Contribution à l étude des liens quantitatifs et prévisionnels entre la microstructure et le comportement macroscopique de matériaux et de structures composites. Les travaux de recherches associent de manière cohérente trois axes de développement: Méthodologies expérimentales de suivi de l endommagement, Formulation et identification de modèles de lois de comportement, Implémentation de ces modèles constitutifs dans des codes de calcul par éléments finis. Importance des actions de recherche et de valorisation avec DGA et DCNS dans la progression des activités de recherche. Renforcer les liens et favoriser les rapprochements avec des laboratoires de recherche universitaires ayant les mêmes thématiques Partenariats industriels Journée nautisme - 15 septembre / 33

30 MERCI QUESTIONS? Journée nautisme - 15 septembre / 33