Pour concevoir une pièce mécanique, il est possible de choisir parmi les matériaux traditionnels (métal, bois…) mais aussi parmi les matériaux organiques de synthèse dont les caractéristiques sont chaque jour améliorées. Ces derniers trouvent de plus en plus d’applications structurales car ils présentent souvent des avantages très intéressants tels que la légèreté, la tenue à la corrosion, la facilité de mise en œuvre permettant d’intégrer plusieurs fonctions dans une pièce monobloc, l’autolubrification, l’isolation, la tenue à la fatigue. Ils ont aussi parfois des comportements bien inférieurs à ceux des métaux notamment la résistance au feu et la dureté. Il faut donc penser composite dès le début de l’étude d’un nouveau produit pour exploiter au mieux leurs caractéristiques et comparer avec une solution métallique.
Cette partie résume les méthodes proposées pour la mise en œuvre des composites sandwich courbés ainsi que leurs propriétés, en suivant une démarche de conception fixée dès le début de l’étude et illustrée par la sélection de quelques solutions possibles qui répondent au mieux aux besoins du projet. En parallèle, les différents paramètres qui peuvent intervenir lors de la fabrication d’une structure cylindrique ont été identifiés et étudiés pour pouvoir optimiser le procédé d’enroulement des matériaux sandwich en accord avec les attentes industrielles. Ainsi, un équipement prototype a été aménagé pour tester la conception du procédé retenu qui est la solution de thermoformage des âmes en mousse PET et leur dépose sur le mandrin d’enroulement. Ce principe s’est avéré comme le plus intéressant pour le partenaire industriel à cause de la simplicité de mise en œuvre de la structure courbe voulue. Une description des matériaux d’âme candidats a été élaborée dans cette partie et des essais de faisabilité ont été réalisés au laboratoire en premier lieu pour arriver ensuite à faire fabriquer des échantillons industriellement avec le vrai procédé.
Ayant différents types d’âme étudiés avec différentes masses volumiques, les échantillons fabriqués par enroulement filamentaire vont être caractérisés mécaniquement dans la Partie 3 de ce manuscrit et leur comportement va être étudié sous différents chargements pour tester et valider le matériau final de la citerne qui dépendra fortement du procédé de mise en forme sélectionné dans cette partie.
Partie 3
Caractérisation expérimentale des
matériaux
Partie 3. Caractérisation expérimentale des matériaux
Sommaire
Chapitre I. Introduction ... 115 Chapitre II. Présentation des matériaux sandwich étudiés ... 116 Chapitre III. Caractérisation quasi-statique en flexion trois et quatre points ... 120 Chapitre IV. Caractérisation quasi-statique en traction perpendiculaire ... 150 Chapitre V. Caractérisation quasi-statique en compression perpendiculaire ... 163 Chapitre VI. Caractérisation quasi-statique en compression longitudinale ... 187 Chapitre VII. Comportement à l’impact à basse vitesse ... 194 Chapitre VIII. Résistance à l’arrachement d’inserts et au cisaillement entre matériaux
différents ... 206 Chapitre IX. Conclusions de la partie ... 216
Chapitre I.
Introduction
L’industrie des transports est conduite à réduire la masse des structures tout en poussant leurs limites de performance. Il existe une demande croissante de matériaux légers et fonctionnels pour diminuer les consommations énergétiques. Pour atteindre cet objectif, l’utilisation de matériaux composites devient pertinente. Sachant qu'ils sont généralement conçus pour supporter des forces de flexion, les structures sandwich doivent répondre à d'autres exigences telles que la corrosion, la résistance au feu et même l'isolation thermique. Fondamentalement, le choix du type de sandwich dépend de son application, comme des structures ou des pièces de structure nécessitant une rigidité et une résistance élevées. Lorsqu'ils sont conçus pour être utilisés dans des structures cylindriques comme des réservoirs, les sandwich courbés sont le plus souvent soumis à des contraintes de flexion. Dans cette partie, les matériaux étudiés sont constitués par les différentes âmes présentées précédemment et qui sont à base de polyéthylène téréphtalate (PET), de polyuréthane (PU) et de polypropylène (PP). En effet, leur résistance structurale élevée à faible masse et leur excellente résistance à la fatigue sont des facteurs importants qui permettent à ces matériaux de remplacer des matériaux de base plus traditionnels tels que le PVC ou le balsa (BANNISTER, 2014). Bien que de nombreux travaux expérimentaux et numériques aient été réalisés sur le comportement mécanique des matériaux sandwich, ils se sont limités aux structures planes et donc peu de recherches traitent le comportement de sandwich incurvés. Dans la partie précédente, une description de la méthode de fabrication de ces matériaux a d'abord été faite. Dans cette partie, l’étude se poursuit par une caractérisation mécanique des échantillons sandwich incurvés, réalisés par enroulement filamentaire. Ils comprennent des peaux composites constitués de fibres de verre E et d’une résine vinylester avec différents types d’âmes évoqués ci-dessus. L’idée était de se focaliser sur les mécanismes d’endommagement de ce type de matériau qui possède une géométrie courbe. Il est donc important de pouvoir décider quelles caractéristiques du matériau doivent être déterminées et donc quels tests mécaniques doivent être réalisés. Il faut noter que le choix du type de sandwich dépend surtout de son application.
Dans tous les essais qui ont été faits et qui vont être détaillés par la suite, les techniques appropriées de préparation des échantillons et les procédures d'essais seront soulignées. L’effet de la courbure sur les éprouvettes a été étudié en même temps que leur caractérisation quasi-statique en traction et compression perpendiculaires, en compression longitudinale, en flexion trois et quatre points ainsi que leur comportement dynamique à l’impact à faible masse et basse vitesse. Aussi, l’effet de l’intégration des inserts au sein de la structure composite de la citerne a été étudié via des essais de résistance à l’arrachement menés à la fin de la compagne d’essais, accompagnés de quelques tests de cisaillement de l’adhésion entre les couches du stratifié et du revêtement. Toute cette campagne expérimentale a finalement pour but de donner une vision globale des propriétés des matériaux et valider ainsi la structure finale.