Modélisation du comportement des composites stratifiés à préformes textiles avec prédiction du délaminage pour des simulations d'impact

Carbon Fabric Reinforced Polymers (CFRP) will soon used in high volume automotive production in order to reduce the vehicle weight. For safety and design reasons, their complex behaviours under low-speed impacts, such as pedestrian impacts, need to be accurately modelled and predicted by finite element simulations. For this purpose, a material model dedicated to explicit finite element simulations has been developed and implemented in a commercial finite element code. Subject to low-speed impacts, the CFRP shows four different physical mechanisms which alter the initial stiffness of the material: intralaminar matrix cracks, fibre failure, delamination and strain-rate sensitivity. The intralaminar damage is modelled through constitutive equations based on the continuum damage theory. It is based on the Onera Damage Model, but with the consideration of friction mechanisms between crack lips in order to represent the hysteresis loops in case of cyclic loading. The strain-rate sensitivity is introduced by means of the rheological generalised Maxwell viscoelastic model. Regarding the fibre damage, a failure criterion based on the strain of the fibre direction is introduced. The energy release due to the fibre failure is also regularised thanks to a smeared crack approach. Finally, in order to welldescribed the out-of-plane behaviour, such as bending, of a laminated CFRP material, a recomputation of a realistic strain field through-the thickness of the laminate is introduced at level of the material model. Based on strain energy equilibrium between usual shell element theory and higher-order zigzag theory, this formulation is able to consider delamination at ply interfaces by using only one shell element through-the-thickness of a laminate. In addition, the model is placed in a total Lagrangian framework to ensure both objectivity and material coherence. The identification procedure, with the needed experimental tests, as well as validation tests and experimental/numerical correlations are given for all physical mechanisms previously described. Finally, this model is evaluated through the behaviour prediction of an industrial structure.Les composites à matrice organique et renforcés par des préformes textiles (CMORT) sont en passe d’être déployés sur les véhicules de grandes séries pour réduire leur poids. Lorsqu’ils sont soumis à des impacts basse vitesse ces matériaux présentent des comportements complexes qui doivent être précisément modélisés et prédis au moyen de simulations par éléments finis. Dans ce but, un modèle matériau a été développé et implémenté dans un code éléments finis commercial. Soumis à un impact basse vitesse, un CMORT présente quatre mécanismes physiques majeurs qui altèrent la rigidité initiale du matériau : fissuration matricielle intralaminaire, rupture des fibres, délaminage et sensibilité à la vitesse de déformation. L’endommagement matriciel est modélisé grâce à un modèle constitutif reposant sur la mécanique de l’endommagement des milieux continus. Basé sur l’Onera Damage Model, il prend en compte les mécanismes de friction aux abords des fissures. La sensibilité à la vitesse de déformation est introduite au moyen d’un modèle de Maxwell généralisé. Ensuite, un critère de rupture est utilisé pour prédire l’initiation de la rupture des fibres et l’endommagement des fibres qui en découle est régularisé par l’utilisation d’un modèle de rupture progressive. Finalement, afin de prédire précisément le comportement hors-plan d’un stratifié, le calcul d’une distribution de déformation réaliste à travers l’épaisseur est réalisé au niveau du modèle matériau. Cette modélisation est capable de prendre en compte les effets du délaminage en utilisant seulement un élément coque. De plus, l’intégralité du modèle est formulé suivant la description Lagrangienne totale afin d’assurer l’objectivité et la cohérence matérielle durant la simulation. La procédure d’identification, ainsi que les tests de validation et les corrélations essais/simulations sont décrits pour chaque mécanisme physique. Enfin, le modèle est évalué au travers de la prédiction du comportement d’une structure automobile industrielle