Compréhension et modélisation des effets de défauts d'ondulation hors plan sur les performances mécaniques d'un stratifié à matrice thermoplastique

This Ph.D. thesis (CIFRE ONERA with funding from AIRBUS Operations) focuses on the out-of-plane waviness manufacturing defect generated in specimens of composite laminates composed of unidirectional plies with carbon fibres and a thermo-plastic matrix. The effects of the defects on the mechanical performance were studied for tensile and compressive loads.Out-of-plane waviness was artificially generated in the specimens during the manufacturing process. Optical observations on the specimen edge were carried out prior to the tests to analyze the defect morphologies. An experimental campaign on specimens with and without defects was carried out with multi-instrumented tests. It revealed a stiffness decrease, differences in damage scenarios (notably earlier crack and delamination initiation) and a failure stress reduction in the presence of a waviness.In parallel, finite element models were developped to refine the understanding of the effects of defects. For this purpose, a digital twin was generated for each specimen based on optical microscope observations of the defect geometry carried out before the tests and on the basis of a parametric description of the defect. With a continuous damage model, the simulations revealed a local reduction of the elastic properties close to the maximum waviness and a significant knock down on the failure stress in relation to the severity of the defect. The model qualitatively captured the damage scenario of the experiments. Finally, a numerical strategy based on metamodelling was proposed to analyse the influence of each geometrical parameter of the defect on the mechanical response and to propose a fast estimate of the defect-induced knock down factors according to its geometry.Ces travaux de thèse CIFRE (ONERA/AIRBUS Operations) portent sur les défauts de fabrication de type ondulations hors-plan générés dans des éprouvettes lisses de composite stratifié à plis unidirectionnels en fibre de carbone et à matrice thermoplastique. En particulier, les effets de tels défauts sur les performances mécaniques ont été étudiés pour des sollicitations en traction et en compression.Des éprouvettes ont été fabriquées en y insérant artificiellement des ondulations hors-plan durant le procédé de fabrication. Des observations optiques sur tranche ont été effectuées avant les essais afin d'analyser les morphologies de défauts. Une campagne expérimentale sur des éprouvettes avec et sans défaut a été menée avec des essais multi-instrumentés. Elle a permis de mettre en avant des une réduction de la rigidité, des différence de scénarios d'endommagement et un abattement de la contrainte à rupture en présence d'une ondulation.En parallèle, des simulations numériques ont été réalisées afin d'affiner la compréhension des effets du défaut. Pour cela, un jumeau numérique a été généré pour chaque éprouvette à partir des micrographies ou tomographies réalisées avant les essais et sur la base d'une description paramétrique du défaut. A l'aide d'un modèle d'endommagement continu, les simulations numériques ont mis en évidence un abattement local non négligeable des propriétés élastiques au niveau de l'ondulation maximale et une réduction significative de la contrainte à rupture en lien avec la sévérité du défaut. De plus, le scenario d'endommagement observé expérimentalement est qualitativement bien capturé par le modèle. Finalement, une stratégie numérique basée sur de la méta-modélisation a été proposée pour analyser l'influence de chaque para-mètre géométrique du défaut sur la réponse mécanique et pour proposer une estimation rapide des abattements induits par un défaut selon géométrie