Discipline : Génie Mécanique Matière : Structures composites Discipline : Génie Mécanique Enseignement de 4ème année ou semestre 8 Domaine : Génie Mécanique Enseignement : optionnel Enseignement : semestre  S8 Heures d’enseignement : 12h Répartition des heures : Cours : 6h/ TD : 6h Travaux de laboratoire : 12h (3 séances de 4heures) Travail induit : rapport CODE: Nombre de crédits : 2 Nom du responsable : M. Karama Les noms des chargés de l’enseignement : M. Karama / B. Lorrain CONTENU Ce cours a pour objectif d'apporter à l'étudiant les moyens d'utiliser efficacement les matériaux composites stratifiés pour la conception de pièces et de structures. PROGRAMME Comportement mécanique des matériaux composites (plis, stratifiés, sandwiches) Critères de rupture, tolérance aux dommages Méthodes expérimentales pour caractériser les matériaux composites Applications industrielles (aéronautique, ferroviaire, automobile...) -Les travaux pratiques porteront sur la simulation numérique par élémets finis des structures multicouches et sandwiches de types poutres, plaques et coques. Le Logiciel utilisé est SAMCEF BIBLIOGRAPHIE CONSEILLEE : BERTHELOT, J.-M. Matériaux composites - Comportement mécanique et analyse des structures, 3e éd., Paris, Editions Tech & Doc, 1999. GAY, D., Matériaux composites, 1997, Edition Hermès, Paris, 4ème Edition. MODE D’EVALUATION: DS : Epreuve de synthèse ( avec documents), validation de l’unité de formation : (DS+ TP)/2 PRE-REQUIS OBLIGATOIRE : Mécanique générale, RDM, Mathématiques, physique, matériaux, Mécanique appliquée1 et 2, méthodes numérique S7, calcul de structures S7 TRAVAIL PERSONNEL : 1 heures /semaine

Structures composites Introduction Mécanique des milieux anisotropes Théorie des stratifiés Critères de limite élastique Méthodes expérimentales Applications 12h cours /TD 12 TP SAMCEF

JARGON DU PETIT COMPOSITEUR : Un matériau composite résulte de l'association intime d'au moins deux matériaux non miscibles, dont les qualités se combinent avec synergie. C'est donc, par essence même, un produit hétérogène. Pour les composites plastiques les deux constituants sont les suivants : LE RENFORT - LA MATRICE Outre ces deux constituants de base, on trouve également : L'INTERFACE - LA CHARGE - ADDITIFS SPECIFIQUES

LE RENFORT - LA MATRICE L'INTERFACE - LA CHARGE - ADDITIFS SPECIFIQUES (1/2) Le renfort : Il constitue l'armature, ou le squelette, assurant la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité). Il est par définition de nature filamentaire. Ex : La fibre de Verre - Le Carbone - Le Kevlar. (Fibre Minérale ou Organique), La matrice : Elle lie les fibres renforts, répartit les efforts et assure une protection chimique, en donnant de plus la forme du produit à réaliser. C'est par définition un polymère ou une résine. Ex : Le polyester - L'Epoxy, L'interface : Assure la compatibilité renforts-matrice, en transmettant les contraintes de l'un a l'autre, sans déplacement relatif. (bonne adherence en couche fine : de l'ordre du micron),

LE RENFORT - LA MATRICE L'INTERFACE - LA CHARGE - ADDITIFS SPECIFIQUES (2/2) La charge : Apportant des propriétés particulières ou complémentaires, ou encore permettant un abaissement du prix de revient. Contrairement aux renforts, les charges ne sont pas filamentaires mais sous forme de particules. Ex : micro ballon, Additifs spécifiques : Catalyseurs, accélérateurs de polymérisation, agent tixotropique.

PROPRIETES REMARQUABLES DU M-COMPOSITE (1/2) Autres propriétés intéressantes des composites, ils ne se plastifient pas. Leur limite élastique correspond à la limite de rupture. Ceci est très important pour les zones des pièces composites sujettes aux concentrations de contraintes (Trous -Entailles...) Les M-C sont très résistants à la fatigue et à la chaleur. Ils ont une meilleure tenue au feu que les alliages légers pour une épaisseur identique. Par-contre les fumées émises lors de la combustion de certaines matrices s'avèrent toxiques.

PROPRIETES REMARQUABLES DU M-COMPOSITE (2/2) Un petit reproche, les M-C vieillissent sous l'action de l'humidité et de la chaleur. Mais ils ne se corrodent pas sauf cas particulier de : Aluminium - Fibre de Carbone, il se produit un phénomène galvanique entraînant des corrosions rapides. Cependant, ils ont tout de même leurs faiblesses, les résines époxydes ne supportent pas les décapants de peinture, en revanche, graisses, huiles, liquides hydrauliques, peintures, pétrole et Solvants sont des produits compatibles sans réel souci. Les M-C ont une tenue aux impacts et aux chocs moyenne, inférieure à celle des Matériaux métalliques.

Validation expérimentale Outils d’aide à la conception Micro Méc. Macro STRUCTURE TEMPERATURE HYGROMETRIE MATRICE FIBRE COUCHE STRATIFIE CHARGEMENT Outils d’aide à la conception Calcul de structures

Approche eij Approche sij Unidirectionnels Approche eij Approche sij

Approche de Whitney-Riley q (m) (f) Cellule élémentaire X 2 3 j i Pb. 1: 11 e 1 E Pb. 2: 12 n (Pb1) Pb. 3: (L.M.) 23 n Pb. 4: 2 E 22 s = -p Pb. 5: 12 G = 23 s 31 12

Résultats de l'homogénéisation Unidirectionnel de verre E / résine époxyde

Approche pour les tissus 1 4 3 2 b a h 1 15

Approche pour les tissus

Résultats de l ’homogénéisation Tissu de verre / résine époxyde

Symétrie des opérateurs

ELASTICITE RdM

Evolution de la loi de comportement 81 constantes 36 constantes 21 constantes s e

Axes de symétrie X1 X2 X3 x3 = 0 x1 = 0 x2 = 0

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Matériaux particuliers