Rapid determination of fatigue behaviour for carbon fiber reinforced polymer laminates based on thermodynamic phenomena observed by IR thermography

Afin de réduire le poids des structures composites et les coûts de fabrication et d'exploitation, le comportement en fatigue des stratifiés carbone fait l'objet d'une grande attention. Les objectifs de cette thèse sont de développer des méthodologies pour évaluer rapidement le comportement en fatigue des stratifiés carbone à partir de l'analyse des données thermodynamiques mesurées par une caméra infrarouge et d'examiner la corrélation entre la dissipation d'énergie et les dommages générés par la fatigue. Trois nouvelles méthodes numériques basées sur l'analyse statistique dans le traitement des données thermiques ont tout d'abord été proposées afin d'éviter les incertitudes humaines dans l'application des méthodes graphiques traditionnelles telles que la méthode de Luong et celle de Risitano. Ces trois méthodes ont toutes été évaluées en déterminant la limite de fatigue avec unicité selon les données expérimentales de la littérature. Ensuite, un modèle à deux paramètres a été proposé pour caractériser la dégradation de la rigidité des stratifiés carbone en fonction de l'augmentation du nombre de cycles. Après la calibration des paramètres et le calcul du seuil de la rigidité normalisée, toute la courbe S-N peut être obtenue dans un temps très court. Ensuite, la relation entre les phénomènes de fatigue et la génération de chaleur est étudiée. En fonction des différentes causes, la chaleur générée a été classée en deux parties : chaleur induite par le frottement interne et celle induite par l'accumulation de dommages. La production totale de chaleur correspondant aux dommages semble être indépendante de l'amplitude de la charge. Cette information peut donc être utilisée pour prédire la courbe S-N avec une bonne précision.In order to achieve weight reduction of composite structures and reduce manufacturing and operating costs, fatigue behavior of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) laminates has received more and more attention. The objectives of this thesis are to develop methodologies to evaluate the fatigue behavior of CFRP laminates in a short time based on the analysis of thermodynamic data measured by an infrared camera and to investigate the inherent correlation between energy dissipation and fatigue damage. Three new numerical methods based on statistical analysis for the treatment of the thermal data are firstly proposed to avoid man-made uncertainties in the traditional graphic methods such as Luong's method and Risitano's method. Those proposed methods are all evaluated by the experimental data from literature to determine the fatigue limit with uniqueness. Then, a two-parameter model is proposed to characterize the stiffness degradation of CFRP laminates with the increase of cycle numbers. After the calibration of parameters and the calculation of the normalized failure threshold stiffness, the whole S-N curve can be obtained in a very short time. Thereafter, the relationship between fatigue damage and heat generation is studied. Depending on the different causes, the generated heat is classified into two parts - induced by internal friction and induced by damage accumulation. The total heat generation corresponding to damage appears to be independent of loading amplitude, and this conclusion can also be used to predict the S-N curve with good precision