Influence de l’énergie d’impact

L’influence de l’énergie d’impact sur les sandwichs du type [0/90]s−150−15.9 a été étudiée. La hauteur de chute a été adaptée pour faire varier la vitesse et imposer des énergies d’impact allant jusqu’à 20 Joules. Les principaux couples masse/vitesse utilisés ainsi que les énergies correspondantes sont synthétisés dans letableau 5.3.

Energie[J] 2 3 5 7 8 10 15 20

Masse[kg] 9 9 9 9 9 9 9 9

Vitesse[m.s⁻¹] 0,67 0.82 1.05 1.25 1.33 1.49 1.83 2.11

Table 5.3 – Principaux couples (masse, vitesse) et énergie correspondante

Tout d’abord, on remarque que dès les niveaux d’énergie les plus faibles, une dé-formation permanente d’un diamètre d’environ 20 mm (correspondant à celui de l’im-pacteur) peut être observée sur la face impactée, comme le montre la figure 5.17 qui présente deux échantillons impactés à 5 et 10 Joules.

(a) (b)

Figure 5.17 – Déformations permanentes visibles sur des éprouvettes [0/90]s-150-15.9 impactées avec

une énergie de : a) 5 J et b) 10 J

Des courbes représentatives des essais réalisés avec différents niveaux d’énergie sont présentées enfigure 5.18. Elles montrent l’évolution du déplacement de l’indenteur en fonction du temps (figure 5.18.a), de la charge appliquée en fonction du temps ( fi-gure 5.18.b) et de la charge en fonction du déplacement (figure 5.18.c). L’analyse de l’évolution du déplacement en fonction du temps montre deux phases distinctes, l’une croissante et l’autre décroissante. La première correspond à la pénétration de l’impac-teur dans le matériau ainsi qu’à une déformation de la structure en flexion. La seconde phase correspond à un retour élastique de l’ensemble. Toutefois, on constate que le dé-placement ne revient pas à zéro, du fait des déformations permanentes mentionnées précédemment.

Ces deux phases se retrouvent sur la courbe représentant l’évolution de la charge en fonction du temps. La dissymétrie observée témoigne bien d’un endommagement de

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 2 4 6 8 10 12 Force [N] Temps [ms] 3J 5J 10J 15J 20J 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Force [N] Déplacement [mm] 3J 5J 10J 15J 20J (a) (b) (c) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 10 12 Dé pl ace men t [mm] Temps [ms] 3J 5J 10J 15J 20J

Figure 5.18 – Courbes caractéristiques de l’influence de l’énergie d’impact : a) force/temps, b) déplacement/temps et c) force/déplacement

l’éprouvette. Il est à noter qu’après une augmentation linéaire de la force, correspon-dant à la déformation élastique de la structure, une succession de décrochements de la charge est visible. Ces irrégularités sont plus prononcées pour les niveaux d’énergie les plus élevés. Les plus significatives d’entre elles peuvent être attribuées à des mécanismes d’endommagement importants. On peut alors constater une diminution de la pente de la courbe force/déplacement après ces pics, traduisant une baisse de la raideur de la structure. Certains auteurs établissent des corrélations directes entre des phénomènes d’endommagement ou de rupture et les principaux décrochements de la charge [124]. Toutefois, certaines irrégularités de la courbe peuvent aussi être attribuées à des vi-brations du matériau ou de la machine d’essai. En effet, l’impact imposé pouvant être assimilé à une impulsion de Dirac, génère un bruit blanc pouvant ainsi exciter les dif-férents constituants de l’éprouvette ou de la machine à des fréquences proches de leurs fréquences de résonance.

Ces différentes courbes permettent d’introduire les principales grandeurs caractéris-tiques des essais. Celles-ci sont illustrées sur lafigure 5.19. On s’intéressera particulière-ment à la force maximale et au déplaceparticulière-ment maximal, notés F_max et D_max. Le paramètre Fmax est en effet caractéristique de la décélération de la charge par le matériau. Ainsi, plus la structure est amortissante, plus la valeur de F_maxest faible. On peut aussi s’inté-resser au déplacement résiduel D_rqui correspond au déplacement permanent une fois l’impacteur retiré.

Figure 5.19 – Principales grandeurs caractéristiques d’un essai d’impact

D’autre part, l’aire sous la courbe de chargement correspond à l’énergie potentielle maximale Epapportée au système. De plus, l’aire sous la courbe de décharge correspond à l’énergie élastique Er restituée par le matériau. L’énergie absorbée Ea est la différence entre ces deux dernières grandeurs. Ces différentes énergies peuvent être calculées au moyen de la méthode des trapèzes présentée auparagraphe 5.2.4 et données en équa-tion 5.3, 5.4 et 5.5. L’analyse des énergies permet ainsi d’étudier la capacité du

maté-riau à absorber ou à restituer l’énergie apportée par l’impacteur. Pour chaque essai les paramètres Fmax, Dmax, Dr, Ea et Er ont été étudiés en fonction de l’énergie imposée. L’évolution de ces différents paramètres en fonction de l’énergie imposée est présentée sur lafigure 5.20. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 5 10 15 20 Char ge max imal e [N] Energie imposée [J] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 10 15 20 Dépl ac eme nt [mm] Energie imposée [J] Energie absorbée Energie élastique Déplacement maximal Déplacement résiduel 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 5 10 15 20 Ener gi e [J] Energie imposée [J] Energie élastique Energie absorbée 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 5 10 15 20 Ener gi e Energie imposée [J] Energie absorbée Energie élastique (a) (b) (c) (d)

Figure 5.20 – Evolution des grandeurs caractéristiques en fonction de l’énergie d’impact : a) charge maximale, b) déplacement maximal et résiduel, c) énergie absorbée et restituée et d) pourcentage d’énergie

absorbée et restituée.

On constate que la force maximale appliquée (figure 5.20.a) augmente tout d’abord quasi linéairement en fonction de l’énergie de l’impact, jusqu’à une valeur d’environ 8 Joules. Au delà de cette énergie, la force maximale appliquée reste quasiment constante autour d’une valeur d’environ 3500 N (+/- 500 N). Sur la figure 5.20.b, représentant l’évolution des déplacements maximal et résiduel en fonction de l’énergie imposée, on remarque une évolution linéaire de ces deux paramètres. L’analyse des données éner-gétiques, présentées en figure 5.20.c et figure 5.20.d, montre aussi une augmentation linéaire de E_a et E_r en fonction de l’énergie imposée. De plus, on constate que la ma-jeure partie de l’énergie apportée est absorbée par le matériau (entre 85 à 98 %). De ce fait, l’énergie élastique est toujours inférieure à 15% même pour les faibles niveaux d’énergie imposés, témoignant ainsi d’une faible déformation de la structure en flexion du fait des conditions aux limites restreintes. Par ailleurs, on peut remarquer une varia-bilité importante des résultats. Celle-ci peut être expliquée par le caractère très localisé

de l’endommagement. De ce fait, la réponse mesurée dépend fortement des caractéris-tiques mécaniques du bloc de balsa qui se trouve sous l’impacteur.

Différentes analyses macroscopiques des échantillons endommagés ont été réalisées afin d’identifier les principaux mécanismes d’endommagement engendrés par les im-pacts. La figure 5.21 présente des photographies des faces impactées et opposées ainsi que des coupes d’échantillons caractéristiques impactés à 5, 8 et 15 J.

Face impactée Face opposée Coupe

5 J

8 J

15 J

Figure 5.21 – Aspect visuel des faces impactées, opposées et vues en coupe de trois échantillons caractéristiques

Malgré une variabilité assez importante, il est possible de faire les remarques sui-vantes :

– Pour des énergies d’impact inférieures à 8 Joules, seule la face impactée pré-sente des traces d’endommagement macroscopiques. Des fissures peuvent en effet être observées dans les peaux en composite. Toutefois, ces modes d’endommage-ment ne semblent présents qu’au niveau de la zone pénétrée par l’impacteur, sans s’étendre à la proche périphérie. En revanche, la face opposée ne laisse apparaître aucune trace particulière d’endommagement. De plus, l’analyse d’une coupe, per-mettant de visualiser l’indentation de l’impacteur, montre un léger écrasement de l’âme sous la zone impactée.

– A partir d’une énergie de 8 Joules environ, la face opposée présente une dégra-dation nettement visible. L’observation d’une coupe de la zone correspondante révèle la présence d’un bloc de balsa rompu ayant subit une translation sous la pression de l’impacteur, induisant ainsi une décohésion de la peau inférieure et de l’âme.

– Lorsque l’énergie imposée augmente, l’endommagement de la face impactée s’ac-centue, ainsi que la surface de la décohésion peau/âme observée précédemment. A partir d’une énergie d’environ 15 Joules, on peut aussi observer certains en-dommagements sur la peau opposée, notamment des fissures, des délaminages et des ruptures de fibres. En revanche, la peau supérieure ne semble toujours pas présenter d’endommagements significatifs en périphérie de la zone impactée pour ces impacts à plus haute énergie.

Des analyses par ultrasons (Cscan) de la face opposée ont été réalisées. Lafigure 5.22

montre deux cartographies obtenues pour un échantillon impacté à 15 Joules. Elles re-présentent respectivement les temps de vols et les amplitudes temporelles des ondes enregistrées sur une zone de 60 x 60 mm²autour du point d’impact. L’analyse du temps de vol confirme la présence d’un déplacement provoquant un bombement qui s’étend sur une surface circulaire d’environ 40 mm de diamètre. De plus, l’analyse de l’ampli-tude temporelle confirme l’existence au centre de la zone endommagée d’une surface de contact parfait entre le balsa et la peau composite d’un diamètre de 20 mm environ. Du fait de la pénétration de l’impacteur, on peut donc confirmer qu’un bloc de balsa d’un diamètre proche de celui de l’impacteur est rompu en cisaillement et décalé vers le bas. La variation de l’amplitude temporelle en périphérie de cette zone confirme la décohésion entre la peau et l’âme.

(a) (b)

Figure 5.22 – Analyse par ultrason (Cscan) de la face opposée à l’impact : a) temps de vol et b) amplitude temporelle

En conclusion, l’ensemble des mécanismes d’endommagement observés ont été syn-thétisés sur la figure 5.23, qui présente une vue en coupe d’une éprouvette de type [0/90]_s−150−15.9 impactée avec une énergie de 15 Joules.

Ruptures de fibres Décohésion d’interface peau/âme Ecrasement de l’âme en balsa Rupture en cisaillement du balsa Délaminage

Figure 5.23 – Coupe d’un échantillon[0/90]_s−150−15.9 impacté à 15 Joules