Lors de la conception de structures composites de lanceur réalisée par le CNES, les défauts et l'endommagement ne sont pris en compte que dans la phase finale de dimensionnement. L'utilisation des composites dans les lanceurs étant toujours plus croissante et la réutilisation de ces structures se faisant plus présente, la problématique de la tolérance aux dommages doit être adressée le plus tôt possible dans les phases de conception. Les structures de lanceur présentent de grandes dimensions. En raison des coûts de calcul élevés, la réalisation de simulations numériques d'initiation et de propagation d'endommagement sur ces structures entières n'est pas une solution envisageable lors de l'étape de prédimensionnement. Ce dilemme entre des temps de calcul adaptés au prédimensionnement et une représentation précise des défauts et des dommages au sein d'une structure composite peut être résolu au moyen de la sous-modélisation.
Une approche Global/Local descendante à couplage lâche 2D vers 3D a été proposée dans ces travaux. Les deux points clefs de la méthode réside dans le transferts de données entre le modèle global et le modèle local ainsi que dans l'insertion de l'endommagement dans le modèle local.
Concernant le premier point, les déplacements nodaux du modèle global servent de conditions limites au modèle local. Le transfert repose sur une interpolation d'Hermite des champs de déplacement généralisée aux structures minces et épaisses grâce à la formulation de Reissner-Mindlin. La théorie a été modifiée en introduisant des coefficients de correction en cisaillement transverse. Un plan d'expérience numérique exhaustif a été réalisé. La méthode proposée permet d'obtenir des champs de contraintes dans la zone locale tout aussi précis que ceux obtenus grâce à un modèle global raffiné, et ce, quels que soient le cas de chargement et la séquence d'empilement. Enfin, les temps de simulation de l'approche Global/Local sont nettement inférieurs à ceux d'une analyse complète de la structure.
Un dialogue essai-calcul a été mis en place avec la réalisation d'une campagne expérimentale de flexion 4 points sur des éprouvettes pré-endommagées. La méthode mise en place pour détecter l'initiation et la propagation de l'endommagement et identifier le mode de rupture associé pendant l'essai de flexion couple l'utilisation de différentes méthodes de contrôle non destructif: l'émission acoustique et la thermographie passive. En parallèle, une modélisation de l'essai a été réalisée. Les défauts sont insérés dans le modèle local au moyen de variables d'endommagement. Une méthode d'identification de ces variables à partir de tomographies à rayons X d'éprouvettes endommagées a été proposée. Elle a permis d'obtenir l'état d'endommagement des éprouvettes avant et après l'essai de flexion. Les simulations numériques locales des éprouvettes endommagées ont permis de déterminer des sites potentiels d'initiation de ruptures intra- et inter- et translaminaires cohérents avec les observations et les post-traitements de la partie expérimentale. |
During the conception of launcher structures made by CNES, defects and damage are only taken into account in the final dimensioning phase. As the use of composites in launchers continues to grow, and the reuse of these structures becomes more and more common, the problem of damage tolerance needs to be addressed as early as possible in the design phases. Launch vehicle structures present large dimensions. Numerical simulations of large damaged composite structures involve high computational costs and are therefore not convenient to rapid pre-sizing loops. Global-local approaches have been developed as a reliable and efficient tool to study the onset and the propagation of damage
A top-down loose coupling 2D to 3D Global/Local approach has been proposed in this work. The two key points of the method are the transfer of data between the global and local models, and the insertion of damage into the local model.
Regarding the first point, the nodal displacements of the global model serve as boundary conditions for the local model. The transfer is based on a Hermite interpolation of the displacement fields, generalized for thin and thick structures using the Reissner-Mindlin formulation. The theory was modified by introducing transverse shear correction factors. An exhaustive numerical experiment plan was carried out. The proposed method allows obtaining stress fields in the local zone that are just as accurate as those obtained with a refined global model, regardless of the loading case and the stacking sequence. Finally, the simulation times of the Global/Local approach are significantly lower than those of a full structural analysis
A experimantal-numerical dialogue has bee, established with the execution of a four-point bending experimental campaign on pre-damaged specimens. The method implemented to detect the initiation and propagation of damage, and to identify the associated failure mode during the bending test, combines the use of different non-destructive testing methods: acoustic emission and passive thermography. In parallel, a simulation of the test was conducted. Defects were inserted into the local model using damage variables. A method for identifying these variables from X-ray tomography of damaged specimens was proposed. It allowed for obtaining the damage state of the specimens before and after the bending test. The local numerical simulations of the damaged specimens helped determine potential sites of intra-, inter-, and translaminar failure initiation, consistent with the observations and post-processing of the experimental part. |