Etude de l'endommagement et de la tenue en fatigue d'un matériau composite à matrice acrylique et fibres de verre

Thermoplastic polymer resins offer numerous benefits, such as their low cost, their better recycling and repair opportunities, their lightness and their long fatigue lifetime. This is why they are increasingly used in the composite material industry. However, due to their chemical nature, their mechanical response exhibits a temperature dependency even if the service temperature range is much lower than their glass transition temperature. This dependency has a knock-on effect, in a lower proportion but still significant, on the mechanical response of thermoplastic matrix composites. Due to the composite local stress distributions and their micro- and meso- structures, this dependency can also have a knock-on effect on their damage scenario. But structures such as wind turbine blades are brought to operate in a temperature range from -20 to 60°C. It is then necessary to study the temperature effect on the mechanical behavior and the damage scenario of thermoplastic matrix composites, to allow a better prediction of the fatigue damage evolution of wind turbine blades, in their temperature service range. Indeed, wind turbine blades are generally designed using a normative approach, which requires either consequent experimental campaigns in order to get the fatigue behavior of all the laminate composites in a structure such as a wind turbine blade, or the formulation of strongly conservative hypothesis, which affects the optimization of wind turbines blades design. To compensate this, a damage model allowing describing the strength, the stiffness and the residual strain of a unidirectional ply under quasi-static and fatigue loadings has been recently developed. The work presented here aim to validate the use of this model for a composite with an acrylic matrix reinforced with glass fibers, used for the manufacturing of some wind turbine blades in the first instance. The parameter identification and the validation rely simultaneously on mechanical tests under tensile and fatigue (tensile-tensile and tensile-compressive) loads on several layering and on physical analysis (microscope images under load, X-ray microtomography). Then, it is question to study how the temperature effect on the composite mechanical behavior and damage scenario affects the model parameters.Du fait de leurs nombreux avantages, à savoir notamment leur faible coût, leurs meilleures possibilités de recyclage et de réparation, leur légèreté et leur bonne tenue en fatigue, les résines polymères thermoplastiques sont de plus en plus employées dans l’industrie des matériaux composites. Cependant, du fait de leur nature chimique, leur réponse mécanique dépend de la température, et ce, même dans un intervalle éloigné de leur température de transition vitreuse. Cette dépendance se répercute, dans une proportion moindre mais qui reste significative, sur la réponse mécanique des composites à matrice thermoplastique. Du fait des distributions locales des contraintes dans ces derniers et des micro- et méso- structures qui les composent, cette dépendance peut aussi se répercuter sur le scénario d’endommagement de ces derniers. Or, des structures telles que des pales d’éolienne sont amenées à fonctionner dans une plage de température allant de -20°C à 60°C. Il devient donc nécessaire d’étudier l’impact de la température sur le comportement mécanique et sur le scénario d’endommagement des composites à matrice thermoplastique, pour permettre notamment de mieux prévoir l’évolution de l’endommagement en fatigue des pales d’éolienne, dans leur intervalle de température de service. En effet, les pales d’éolienne sont généralement dimensionnées via une approche normative, qui requiert soit des campagnes expérimentales conséquentes pour obtenir le comportement en fatigue de tous les stratifiés constituant une structure telle qu’une pale d’éolienne soit la formulation d’hypothèses fortement conservatives, qui nuisent à l’optimisation de la conception des pales. Pour pallier à cela, un modèle d’endommagement permettant de décrire l’évolution de la résistance, de la rigidité et de la déformation résiduelle d’un pli unidirectionnel soumis à des chargements quasi-statiques ou de fatigue a été récemment développé. Les travaux présentés ici visent dans un premier temps à valider l’utilisation de ce modèle dans le cas d’un composite à matrice acrylique renforcé de fibres de verre, utilisé pour la fabrication de certaines pales d’éolienne. L’identification et la validation s’appuient à la fois sur des essais mécaniques en quasi-statique, en fatigue (traction/traction, traction/compression) sur plusieurs strates et sur des analyses physiques (micrographies sous charge, micro-tomographie à rayons X). Il s’agit ensuite d’analyser comment l’effet de la température sur le comportement mécanique et le scénario d’endommagement de ce composite se répercute sur les paramètres du modèle