Wet ageing of helicopter blade composite materials : multiscale characterizations and simulations, from the resin to the multi-material assemblies

L’exposition d’une structure en matériaux composites à matrice polymère (CMPs) à un environnement humide peut affecter sa durabilité, à cause d’une diffusion d’humidité en son sein. On parle alors de phénomène de vieillissement humide (VH). La présente étude s’intéresse au VH des CMPs de pales d’hélicoptères. Dans le but de qualifier le comportement diffusif de ces structures, une campagne de caractérisation multi-échelles a été réalisée, au cours de laquelle des matériaux de pales d’hélicoptères ont été soumis à des conditions environnementales sévères de type aéronautique. Des comportements hygro-mécaniques cohérents ont été obtenus du point de vue des différentes échelles de matériaux analysées (résines, matériaux composites, assemblages multi-matériaux). Les résultats expérimentaux ont notamment conduit à la détermination des lois de comportement adaptées aux matériaux de l'étude et à l'identification des paramètres hygroscopiques associés. Ensuite, une méthodologie a été proposée pour modéliser le processus de diffusion d'eau au sein d'un assemblage multi-matériaux, à partir des paramètres diffusifs des mono-matériaux constituants. Une première approche numérique a permis de définir les conditions de diffusion d'eau à l'interface entre deux matériaux différents, par le biais de comparaisons des résultats numériques et expérimentaux. Puis, cette modélisation a été adaptée à la méthode des éléments finis et a rendu possible la simulation de la diffusion d'eau au sein d'une structure multi-matériaux complexe, en l'occurrence, une section de pale d'hélicoptère.Exposure of a polymer matrix composite (PMC) structure to a wet environment can affect its durability due to moisture diffusion. This phenomenon is so called wet ageing (WA). This study focuses on the WA of helicopter blades PMCs. In order to qualify the diffusive behavior of these structures, a multi-scale characterization campaign was carried out. Helicopter blades materials were subjected to severe environmental conditions. Consistent hygro-mechanical behaviors were obtained regarding the different scales of materials (resins, composite materials, multi-material assemblies). The materials constitutive laws were determined from the experimental results. Also, the associated hygroscopic parameters were identified. Afterwards, a numerical study made it possible to model the water diffusion within a multi-material assembly based on the diffusive parameters of the constituent materials. The interfacial conditions were defined and validated by comparing numerical and experimental results. Then, this model was adapted to the finite element method. Finally, the simulation of water diffusion within a complex multi-material structure, in the present case, a helicopter blade section, was achieved