Analyse expérimentale d une structure composite de type sandwich

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1 ACMA Mai, 2012 Fés, Maroc. Analyse expérimentale d une structure composite de type sandwich K. Ait tahar *, K. Saidani *.H. Ait aider * Laboratoire LaMoMS, Université Mouloud Mammeri de Tizi ouzou - Algérie Résumé Une structure de type sandwich est obtenue à partir de deux peaux ou semelles, ayant de très bonnes caractéristiques mécaniques, collées sur une âme réalisée avec un matériau très léger de faible résistance. La résistance et le module d élasticité des peaux conditionnent le comportement à la flexion d'un sandwich. En flexion, les peaux du sandwich sont sollicitées en traction et en compression, tandis que l'âme est sollicitée en cisaillement. Notre étude porte sur la caractérisation expérimentale sous flexion 3- points d un nouveau matériau composite sandwich à âme combinée. Le sandwich proposé est constitué de deux peaux armées de grilles métalliques imprégnées d une matrice époxyde de type STR et d'une âme hybride composée de carton dont la cannelure présente une forme ondulée et de tissu. Plusieurs configurations des âmes à base de carton cellulosique avec le tissu ont été considérées. Une investigation expérimentale est conduite pour analyser le comportement de ces structures. Les résultats montrent que le mode de rupture est fortement influencé par la séquence d empilement considérée. Mots clés : sandwich, élaboration, analyse expérimentale, rupture, modélisation 1. Introduction La résistance et le module d élasticité des peaux conditionnent le comportement à la flexion d'un sandwich. En flexion, l'âme résiste au cisaillement. L âme se présente en général sous forme : d âme pleine : exclusivement de mousses plastiques et d âme alvéolaire : essentiellement des structures nids d abeilles de différentes natures ; L âme est recherchée pour sa résistance au cisaillement et pour ses propriétés thermiques. Les liaisons à l interface âme/peau sont un élément capital pour les performances du sandwich. La structure composite sandwich présente de nombreux intérêts : légèreté, excellent rapport rigidité/masse, pouvoirs isolants (thermiques et phoniques) importants. En revanche, elle présente certains inconvénients, à titre d exemple on peut citer : le risque de flambement et une tenue thermique variable suivant les natures des composants. Ce travail porte sur une proposition de conception de sandwich composé de deux peaux stratifiées en fibres métalliques imprégnés de résine

2 époxyde de type STR et d une âme constituée d une combinaison de deux matériaux : tissus et d un assemblage rigide de feuilles planes. (carton ondulé), issus de la récupération. La valorisation de la fibre écologique, la fibre biodégradable (origine végétale) et de fibres résultant de la récupération telles que la feuille cellulosique et tissus, par une utilisation dans la conception d'un sandwich composite est une question d'actualité, compte tenu de sa disponibilité et son impact sur l'environnement. 2. Présentation du sandwich 2.1 Matériaux utilisés Le renfort métallique utilisé dans le stratifié est une grille de fils d acier de diamètre 0,17 mm. Sa résistance à la rupture est de 512,9 MPa. L âme combinée est constituée de carton ondulé, qui peut être décrit comme un assemblage rigide de feuilles planes. Ce carton ondulé est enveloppé d un tissu, composé de fils tissés de nature de coton et de lin. Le collage est toujours assuré par la résine STR. Après le collage des différents constituants, une compression mécanique est appliquée durant 48 H. Du fait de la structure du carton ondulée, il est difficile d estimer l influence de la forme ondulée de la cannelure. Le carton est alors modélisé, en remplaçant le milieu hétérogène anisotrope par un milieu homogène orthotrope équivalent. Les propriétés de la résine sont données dans le tableau 1 et les propriétés mécaniques des constituants sont données par le tableau 2. Plusieurs éprouvettes de types sandwichs à âme combinée ont été élaborées. Les sandwichs sont constituées de peaux en stratifiés de fibres métalliques et d une âme constituée de deux matériaux issus de la récupération (carton et tissu). Les collages des différents éléments du sandwich ont été réalisés à base d une résine STR conçue par Granitex Algérie. Les stratifiés ont été réalisée selon le mode de formage à moule ouvert, à une température ambiante. Les plaques obtenues ont été démoulées et rectifiées à l aide d une scie diamanté et lubrifié. Les éprouvettes ont été laissées au repos entre neuf (09) et onze (11) jours (recommandation du fournisseur). Plusieurs configurations des séquences d'empilement du carton cellulosique avec le tissu ont été considérées. Six (06) éprouvettes pour chaque type sont réalisées, afin d éviter une grande dispersion des résultats. Tableau 1 : Propriétés de la résine STR Constituant densité Rm compression [MPa] Rm traction par flexion [MPa] Résine Medapoxy STR 13,5 0, Tableau 2 : Propriétés mécaniques constituant densité E [GPa] Elastique [MPa] A% Tissu (Tissu) 1, ,5-12, ,

3 a-grille métallique b- c- Tissu 2.2. Mode d essai Figure 1: Matériaux utilisés Les essais ont été réalisés sur une machine de marque IBERTEST, équipée d une cellule de force maximale de 200 KN. Cette machine est pilotée par ordinateur à l aide d un logiciel de commande et de traitement des résultats (wintest). La vitesse de chargement est de 10 N / s. 3. Résultats et analyse Les différents résultats des essais de flexion 3-points sont illustrés par la figure 2 les résultats obtenus par les essais indiquent les valeurs moyennes obtenues à partir d une dizaine d éprouvettes.. 0,64 0,62 Force (Kn) 0,6 0,58 0,56 0,54 0,52 0,5 0,48 M -3J-2C M -4J-1C M -2J-1C Figure 2. Courbes contraintes déformations Figure 3. Histogramme des résistances L analyse des différents résultats nous permet de conclure que : Les courbes présentent un comportement mécanique non linéaire. Le sandwich à âme constitué d un seul carton, enveloppé du tissu possède une meilleure limite élastique comparativement au sandwich composé de deux empilement de couches de carton. En effet, le carton ondulé rend le sandwich plus fragile. Comparativement au sandwich traditionnel à âme pleine en polystyrène, le sandwich à âme combinée présente des résistances meilleures. Enfin, ces résultats préliminaires mettent en exergue l influence de la séquence d empilement cartontissu, sur les résistances mécaniques.

4 4. Analyse numérique 4.1. Simulation numérique La modélisation par éléments finis du sandwich à âme combinée, consiste en un empilement de 7 plis alternés de couches de métal de 3mm d épaisseur, de deux couches de Tissu de 1mm d épaisseur chacune et d une couche de carton de 4mm d épaisseur. Le comportement de toutes les couches est supposée isotrope. L interface entre les couches des plis du composite est modélisée en utilisant des éléments cohésifs disponibles dans Abaqus. Un quart de la poutre composite est modélisée. La poutre est sollicitée en flexion 3- points. Pour simuler les conditions d'essai, le spécimen est soumis à une charge verticale croissante jusqu'à la rupture; Les paramètres mécaniques sont décrits dans le tableau donné dans la section 2. On considère que les matériaux sont homogènes et isotropes. La comparaison des valeurs des contraintes et des déplacements entre les deux types de sandwichs montre clairement le gain enregistré dans la résistance et la rigidité. Figure 4. Modèle éléments finis. Figure 5. Distribution des contraintes de Von Mises (a ) et des déplacements (b) Figure 6. Comparaison des courbes contrainte déplacement numérique et expérimentale. La figure 6 montre qu il y a une bonne concordance des résultats donnés respectivement par l analyse numérique et l analyse expérimentale, plus particulièrement dans le domaine linaire.

5 4.2. Densités de probabilité La connaissance pratique repose sur une étude d un ensemble homogène d objets. La statistique est un ensemble de méthodes permettant de dégager les caractéristiques ou de répartir des objets en fonction de critères d étude déterminés. Les différents résultats de l analyse probabiliste obtenus à partir de logiciel STATISTICA sont illustrés par les courbes des densités de probabilité des différents échantillons. L'estimation de la variabilité de la résistance d'un matériau être obtenue par la détermination de la probabilité de défaillance du matériau sous l'effet d'un chargement quelconque. Le caractère dispersif du comportement du matériau est introduit par les fonctions de distributions des résistances. 5. Facies de rupture Figure 7. Densité de probabilité des trois matériaux L analyse microstructurale des éprouvettes soumises à des essais de flexion 3-points est réalisée par microscopie électronique à balayage, les résultats sont illustrés par la figure 8. La nature des peaux influe clairement sur la forme d adhérence. Le carton apparaît sur les microstructures en couleur sombre par contre les fibres de tissu apparaît avec une couleur blanchâtre. Le sandwich à âme combinée à base de deux tissus et un carton a subi une déformation de flexion au milieu de l éprouvette, aucun délaminage, au niveau de la zone centrale, n a été observé. Au stade de la rupture, un délaminage est observé au niveau du carton dans la cannelure avec un léger décollement au niveau de l interface fibre carton. Ces observations sont valables pour toutes les éprouvettes de sandwich à âme combinée, quelque soit la séquence d empilement adoptée, sauf pour le cas du sandwich à âme composée de trois tissus et de deux cartons, où un délaminage au niveau de l interface carton-tissu est observé. a) b) c) Fibre Fibre Fibre Figure 8. Microstructure des sandwichs, a)- 2Tissu-1carton, b)- 4Tissu-1carton, c)- 3Tissu-2carton

6 5. Conclusion Cette étude porte sur la valorisation de déchets de carton et de tissu à travers une application rationnelle et effective dans le domaine si vaste des structures composites. Le panneau sandwich à âme combinée de matériaux issus de la récupération est nouveau de par sa structure. Les différents résultats obtenus, nous ont permis de constater que l ajout d une grande quantité de carton fragilise la structure composite. Les résultats préliminaires mettent en exergue l influence de la séquence d empilement carton- tissu, sur les résistances mécaniques. L analyse des faciès de rupture des différents sandwichs ont permis de relever les différents modes de rupture et l influence de la combinaison utilisée dans la réalisation du sandwich. A l avenir, il convient de connaitre parfaitement les caractéristiques mécaniques des constituants, plus particulièrement celles du carton ondulé, du composite carton enveloppé dans un tissu (caractère anisotrope inhomogène), pour mettre en évidence le comportement réel de ce type de sandwich. Références [1] J.M., Berthelot: Matériaux composites, comportement mécanique et analyse des structures, Ed. Lavoisier, 2005, ISBN : , pp 172 [2] M. Reyne. : Technologie des plastiques, 3eme édition revue et augmentée. paris : Hermès, ISBN , pp 17 [3]H.CH. Spatz, L. Köhler et K.J. Niklas: Mechanical behaviour of plant tissue: composite materials or structures, The Journal of Experimental Biology, 202, p (1999 [4] C. Baley, B. Lamy. : Propriétés mécaniques des fibres de lin utilisées comme renforts de matériaux composites". Revue des composites et des matériaux avancés ; Hermès, 10 (1), p (2000) [5] U.Hoke, L. Gottsching, Résistance à la compression du papier du carton ondulé et des caisses, traduction française, institut pour la fabrication du papier, V.39, N 10 A, V 65-V 73, Oct [6] K. Ait tahar, N. Harb., Physical and mechanical properties of the reinforced polyester: characterization - probabilistic analysis, Journal Key Engineering Materials Vol. 482 (2011) pp 67-78,Trans Tech Publications, Switzerland.