Les stratifiés composites multidirectionnels sont largement utilisés dans les applications aéronautiques et automobiles. Ils sont souvent soumis à des sollicitations multiaxiales en fatigue sous un état de chargement complexe. Leurs applications exigent une compréhension approfondie des propriétés de fatigue pour le dimensionnement. Cependant, les études de fatigue biaxiale des composites sont limitées par l’absence d’une géométrie standardisée des éprouvettes. De plus, l'effet de couplage de la charge biaxiale sur l'auto- échauffement n'a pas encore été pleinement étudié, et les essais de fatigue classiques sont longs et coûteux. Au cours des deux dernières décennies, les méthodes basées sur la thermographie infrarouge ont été de plus en plus utilisées pour prédire rapidement les propriétés de fatigue uniaxiale des composites en fonction des variations de température. Ainsi, cette étude vise à étudier les comportements thermomécaniques biaxiaux des composites cross-ply-[(0/90)6]s et quasi-isotropes-[(0/45/90/-45)3]s basés sur la thermographie infrarouge et la tomographie aux rayons X, puis à développer un modèle pour prédire la limite de fatigue et la durée de vie de fatigue de composites soumis à des essais biaxiaux.
Tout d’abord, une géométrie optimisée de l’échantillon a été conçue pour les composites croisés et quasi-isotropes à l’aide de simulations par éléments finis. Ensuite une méthode de moulage en une seule étape, ne nécessitant aucun usinage ultérieur, a été proposée pour fabriquer les échantillons de façon fiable et de bonne qualité. Ensuite, un essai statique biaxial et un essai classique de fatigue biaxiale ont été réalisés pour vérifier la conception de l’échantillon et mesurer la limite de fatigue, la courbe S-N et la variation de température. Par la suite, des essais accélérés de fatigue biaxiale et uniaxiale ont été réalisés pour déterminer l’élévation de température des composites sous différents niveaux de contraintes avec une durée d’essai limitée. L’effet de couplage de la charge biaxiale sur la hausse de température s’est avéré positif pour le composite croisé et négatif pour le composite quasi-isotrope. La tomographie aux rayons X permet d’observer les structures internes, en corrélant les dommages causés par la fatigue à la production de chaleur.
Enfin, un modèle de fatigue a été développé pour déterminer les propriétés de fatigue biaxiale: la limite de fatigue et la durée de vie en fatigue. Le phénomène d’élévation de température s’explique par la combinaison de la thermodynamique et des comportements de fatigue mécanique. La génération de chaleur a ensuite été caractérisée par une fonction bilinéaire du niveau de contrainte. Les endommagements par fatigue ont été quantifiés par une équation non linéaire liant la rigidité résiduelle et l’élévation de la température. Ainsi, la limite de fatigue des deux types de composites a été prédite ainsi que les courbes S-N. Une comparaison entre les résultats expérimentaux et ceux prédits indique que le modèle permet une détermination rapide et relativement précise de la limite de fatigue et des courbes S-N pour les échantillons croisés et quasi-isotropes.
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Multidirectional CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) composite laminates have found extensive application in aircraft and automobiles, and are often subjected to tension-tension biaxial fatigue caused by complicated external forces. Their applications demand a comprehensive understanding of fatigue properties. However, biaxial fatigue studies of composites are limited by the absence of a standard specimen design. Furthermore, the coupling effect of the biaxial load on the self-heating effect has not been fully investigated, and conventional fatigue tests are both time-consuming and costly. In the last two decades, the infrared thermography method has been increasingly employed to rapidly predict uniaxial fatigue properties of composites based on temperature variation. This study aims to investigate the biaxial thermo-mechanical behaviors of the cross-ply-[(0/90)6]s and quasi-isotropic-[(0/45/90/-45)3]s composites based on infrared thermography and X-ray tomography, and then develop a model for the fatigue limit and fatigue life prediction.
Firstly, an optimized specimen geometry was designed for both cross-ply and quasi-isotropic composites using finite element simulation, and a one-step molding method without a post-machining process was proposed to manufacture sufficient specimens in a typical university laboratory. Secondly, a biaxial static test and a classic biaxial fatigue test were conducted to verify the specimen design and measure the fatigue limit, S-N curve, and temperature variation. Subsequently, accelerated biaxial and uniaxial fatigue tests were conducted to ascertain the temperature rise of the two composites under various stress levels with a limited test duration. The coupling effect of the biaxial loading on the temperature rise was found to be positive for the cross-ply composite but negative for the quasi-isotropic composite. X-ray tomography allows the observation of the internal structures, correlating the fatigue damage to heat generation.
Finally, a fatigue model was developed to predict the biaxial fatigue properties: fatigue limit and fatigue life curve. The temperature rise phenomenon was explained by combining thermodynamics and mechanical fatigue behaviors. The heat generation was then characterized by a bi-linear function of the stress level, and the fatigue damage was quantified by a non-linear equation of residual stiffness and temperature rise. Hence, the fatigue limit of the two samples was predicted via fitting the temperature data in an accelerated fatigue test, and the complete S-N curves were successfully determined with the accelerated test and a limited number of classic tests. A comparison between the experimental and predicted results indicates that the model allows a rapid and relatively accurate determination of the fatigue limit and S-N curves for both the cross-ply and quasi-isotropic samples.
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