Essais de traction / compression

III.2.1.1 Essais de traction perpendiculaire (sens transversal)

Dans un panneau sandwich, l'intégrité de la liaison peaux-âmes est nécessaire pour maintenir la stabilité de ses constituants et permettre ainsi le transfert de charges entre les peaux et l’âme. Cette méthode d’essai de traction perpendiculaire peut être utilisée pour fournir des informations sur la solidité et la qualité de cette liaison. Elle peut également être utilisée pour produire des données de résistance à la traction transversale pour le matériau d’âme afin d’améliorer les propriétés de conception structurelles et les spécifications des matériaux utilisés. La rupture de la structure en raison du décollement à l’interface peaux- âmes a été étudié par plusieurs auteurs. Certaines de ces études ont porté sur l’effet du décollement sur les propriétés structurelles du composite sandwich [ (AVERY, et al., 2000), (MAHFUZ, et al., 2005), (BURLAYENKO, et al., 2010)]. D’autres études ont traité l’effet de formation des couches de l’adhésif sur le décollement inter-facial. [ (DANIEL, et al., 2002), (SAHA, et al., 2008)]. (GROVE, et al., 2006) ont montré qu'une énergie de décollement plus élevée peut être obtenue avec des formes de résine autoadhésive plus larges et régulières entre les parois des cellules en nid d'abeille et la peau. (HAYES, et al., 1998) ont montré que, outre la taille, la qualité de cette résine autoadhésive joue également un rôle et influe énormément sur la résistance à la traction des structures étudiées. Dans l'ensemble, les auteurs ont observé que la performance mécanique des structures sandwich dépend de la qualité de la liaison adhésive âme-peaux. Aussi, cet essai est utilisé également pour produire des données de résistance à la traction transversale pour le matériau de l’âme constituante. En effet, (TUWAIR, et al., 2015) ont montré que la densité de l’âme constituante influe sur le comportement à l’arrachement des sandwich étudiés. Un bon compromis entre les propriétés mécaniques de l’âme, des peaux et de la liaison entre eux, permet à la structure sandwich une bonne tenue en service.

Généralement, l’essai de traction perpendiculaire est réalisé sur une machine de traction équipée d’un dispositif conçu pour faire office de sollicitation d’arrachement. En se basant sur la littérature, le but ultime de ce test est la détermination des propriétés transverses de la liaison entre peaux et âme dans une structure sandwich donnée. D’après (YALKIN, et al., 2016), les principaux facteurs qui influent sur la résistance à l’arrachement d’une structure sandwich, et qui doivent donc être pris en compte dans les analyses de l’endommagement, comprennent les éléments suivants: constitution des peaux, type de matériau d’âme utilisé, type d’adhésion, méthode de fabrication des éprouvettes, séquence d’empilement des peaux et leur épaisseur globale, géométrie de l’âme et sa densité relative, épaisseur de la liaison

âme-peaux, géométrie de l'échantillon, conditions de préparation de l'éprouvette, environnement de l'essai, alignement de l’échantillon, procédure de chargement, vitesse de test, taux de porosité dans les peaux, âme ainsi que la liaison entre eux.

Comme illustré sur la Figure I-15-a, cet essai consiste à soumettre une éprouvette plane, découpée suivant la norme (ASTM C297, 2004), à un effort de traction normal aux peaux du sandwich. Ce chargement est transmis à l’éprouvette par l’intermédiaire d’un dispositif d’attache constitué par des blocs épais, indéformables et collés sur les faces extérieures des peaux constituants. Le système d’attache doit s’auto-aligner et ne doit pas appliquer à l’éprouvette des forces excentrées par rapport à l’axe de traction. Comme exemple, un type de montage donnant satisfaction est présenté sur la Figure I-15-b. Ensuite, il faut imposer une sollicitation mécanique sur une éprouvette et enregistrer en parallèle les évolutions des efforts et des déformations de l’éprouvette jusqu’à rupture. Il faut noter que cette rupture résultante peut se situer en n’importe quel point de la structure à l’intérieur de l’âme, dans le plan de la liaison entre âme et peaux, dans l’une des peaux, etc.

(a) Conception d’un dispositif d'attache

pour l’essai (b) Configuration du test de traction perpendiculaire Figure I-15 : Principe d’essai de traction perpendiculaire sur une éprouvette sandwich.

La résistance à la traction perpendiculaire peut être estimée comme suit (ASTM C297, 2004) :

𝜎 =𝑃

𝐴 (1.18)

Où σtp : Résistance à la traction de l’âme [MPa], P : Charge de rupture [N] et A : Aire de la

section droite [mm²].

Par conséquence, le module de traction de l’âme constituante peut être obtenue grâce à la mesure du déplacement relatif de la partie mobile du dispositif d’essai et de la force mesurée par la machine en utilisant l’expression suivante (ASTM C297, 2004) :

𝐸 =𝑆 × 𝑒

𝐴 (1.19)

Où Etp : Module de traction de l’âme [MPa], S = (ΔP/Δu) pente de la partie initiale linéaire de

la courbe force P – déplacement u [N/mm] et ea : épaisseur de l’âme [mm].

III.2.1.2 Essai de compression perpendiculaire (sens transversal)

En ce qui concerne l’essai de compression perpendiculaire, on cherche principalement les propriétés mécaniques transverses en compression de l’âme constituante au sein d’une structure sandwich. Les peaux sont relativement rigides par rapport à l’âme, ce qui donne à la structure globale une certaine stabilité lors de l’essai de caractérisation. En complément de cette étude expérimentale, plusieurs travaux de recherche ont porté aussi sur l’étude numérique de la présence de résine au sein des matériaux en mousse (YU-TI, et al., 2011). De telles études numériques ont démontré leur efficacité et leur fiabilité dans le passé dans des simulations de compression transversales sur des structures sandwich avec des âmes cellulaires (HEIMBS, et al., 2007). Afin d'être en mesure d'évaluer les performances en compression perpendiculaire d'un matériau d’âme sandwich, il est nécessaire de connaître leurs propriétés mécaniques linéaires et non linéaires, en particulier pour ce type de sollicitation (CORIGLIANO, et al., 2000). (JOHN, et al., 2008) ont montré que les forces de compression perpendiculaire et longitudinale ainsi que la valeur du module correspondants augmentent avec le taux de résine présent dans l’âme et ne sont pas très affectés par la présence de vides. D'autre part, et en se basant sur les travaux de (NOROUZI, et al., 2015), l'étude des courbes force-déformation, obtenues à partir de tests de compression, a montré une résistance mécanique optimale avec une masse très légère concernant les sandwich étudiés. D’après la Figure I-16, la comparaison entre les résultats expérimentaux (a) et numériques (b) a révélé qu'il y a un bon accord entre ces résultats, ce qui implique que la simulation par éléments finis peut être utilisée au lieu de procédures expérimentales relativement longues afin d’étudier l'effet des différents paramètres sur les propriétés mécaniques élastiques des composites sandwich étudiés. Cela nécessitera à minima la connaissance des propriétés des constituants du matériau : peaux, âme et colle.

Figure I-16 : Comportement mécanique d’un nouveau type de matériau sandwich sous un chargement en compression perpendiculaire (NOROUZI, et al., 2015).

En se basant sur la norme (ASTM C365, 2003), la Figure I-17 montre bien que la force de compression est transmise au sandwich à l'aide de plateaux de chargement (MANOJ, et al., 2016).

(a) Conception du dispositif (b) Configuration du test Figure I-17 : Illustration de l’essai de compression perpendiculaire.

Le principe du test étant simple (Figure I-17), il consiste à générer un chargement de compression réparti sur la peau supérieure d’une éprouvette en forme de parallélépipède rectangle. Le but est de provoquer une déformation croissante à une vitesse constante relativement faible afin de pouvoir suivre correctement l’endommagent du cœur de la structure. En effet, l’éprouvette étant placée dans le dispositif d’essai, le plateau supérieur se déplace et permet d’appliquer ainsi une certaine force sur l’échantillon. La compression de celui-ci est matérialisée par la diminution de son épaisseur initiale. Une machine de traction permet de mesurer la force et la déformation correspondante de l’éprouvette grâce à un système de capteurs installé à l’intérieur de la machine. On peut aussi marquer deux repères sur l’échantillon (à savoir des marqueurs), enregistrer par la suite leur déplacement par une caméra vidéo et en déduire finalement la déformation correspondante. Parallèlement, un capteur LVDT peut être monté sur le dispositif pour mesurer le déplacement du plateau supérieur et en déduire la déformation en compression. Cela permet d’avoir deux séries de mesures pour s’assurer de la convergence des résultats d’essais.

La résistance à la compression perpendiculaire peut être estimée comme suit (ASTM C365, 2003) :

σ = P

A (1.20)

Où σcp : Résistance à la compression de l’âme [MPa], P : Charge maximale [N] et A : Aire de la

section droite [mm²].

Aussi, le module de compression de l’âme constituante peut être obtenue grâce à la mesure du déplacement du plateau mobile et de la force mesurée par la machine en utilisant l’expression suivante (ASTM C365, 2003) :

𝐸 =𝑆 × 𝑒

𝐴 (1.21)

Où Ecp : Module de compression de l’âme [MPa], S = (ΔP/Δu) pente de la partie initiale

linéaire de la courbe force P – déplacement u [N/mm] et ea : épaisseur de l’âme [mm].

III.2.1.3 Essai de compression longitudinale sans ou avec flambage

Dans la continuité de la section précédente qui traite le comportement des sandwich en compression transversale, il est possible aussi de faire un autre type de test de compression mais dans une direction parallèle aux peaux d’une éprouvette sandwich. Le but étant de déterminer les propriétés mécaniques du spécimen en compression longitudinale pour les prendre en compte dans la conception de la structure voulue. D’après (HOU, et al., 2014), l’épaisseur des peaux constituantes jouent un rôle important pour les sandwich sollicités principalement dans une direction parallèle à leur plan, tout comme la résistance de l’interface entre âme-peaux qui constitue la partie la plus sensible d’un sandwich.

Concernant l’essai, la mesure de la déformation et de la contrainte maximale se font dans la direction longitudinale de l’éprouvette, comme illustré dans la Figure I-18 (ASTM C364, 2004). Les caractéristiques en compression longitudinale sur des éprouvettes courtes fournissent une base d’appréciation de la capacité des structures sandwich à transmettre des efforts. Selon la longueur de l’éprouvette, deux caractéristiques distinctes peuvent être appréciées suivant le mode opératoire décrit dans la norme (ASTM C364, 2004) :

 Longueur hors encastrement jusqu’à 2 fois l’épaisseur totale de la structure sandwich : compression pure ;

 Longueur comprise entre 10 à 12 fois l’épaisseur totale de la structure sandwich : flambage.

(a) Conception de dispositif de montage pour l’essai (b) Configuration du test de compression longitudinale Figure I-18 : Principe d’essai de compression longitudinale sur une éprouvette sandwich.

Puisque ce test de compression longitudinale a le même principe que celui de compression perpendiculaire mais dans une direction différente lors de l’essai, il est possible de déterminer la résistance à la compression longitudinale comme suit (ASTM C364, 2004) :

𝜎 =𝑃

𝐴 (1.22)

Où σcl : Résistance à la compression des peaux [MPa], P : Charge maximale [N] et A : Aire de

la section droite [mm²].

De plus, le module de compression correspondant est obtenu par (ASTM C364, 2004) :

𝐸 =𝑆 × 𝑏

𝐴 (1.23)

Où Ecl : Module de compression des peaux [MPa], S = (ΔP/Δu) pente de la partie initiale

linéaire de la courbe force P – déplacement u [N/mm] et b : largeur de l’éprouvette [mm].