Fatigue damage and lifetime prediction of continuous fibre reinforced composites used for suspension systems application
Endommagement par fatigue et durée de vie de structures en matériaux composites à fibres continues pour application liaison au sol
Résumé
The reduction of fuel consumption and greenhouse gas emissions is one of the most important challenges facing the automotive industry. An efficient strategy to meet these targets is by reducing the weight of vehicle. In this work, we are interested in introducing composite materials in automotive structural parts and especially in suspensions which are subjected in service to high-cycle fatigue loadings. Therefore, a good prediction of fatigue life is required. As continuous fibre-reinforced composites provide good mechanical properties combined with a low density, they have been increasingly used in many lightweight structures. However, the fatigue behaviour of composites has not been widely investigated. This work aims at developing an approach to predict the lifetime in service of structural automotive components, made with woven glass / epoxy composite. This approach has to be easy to use by design engineers at the scale of the structure. The first step is the characterization of the material. Then, the processes involved in degradation of the composite subjected to both monotonic and cyclic loadings were identified.Given the experimental results and the existing approaches, a multiaxial fatigue criterion is proposed. An optimization of the identification protocol is also performed to reduce the quantity of needed experimental data. Finally, the fatigue life prediction model criterion is validated by tests on notched coupons and on composite vehicle's suspension.
L'allègement des véhicules est un enjeu majeur de l'industrie automobile pour participer, avec l'évolution des motorisations, à la maîtrise des consommations énergétiques et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce travail, nous nous intéressons à l'introduction des matériaux composites dans les pièces de structure et particulièrement dans le périmètre de la liaison au sol composé d'organes de sécurité active, sujets au phénomène de fatigue multi axiale à grand nombre de cycles.Les matériaux composites présentent une solution séduisante en raison de leurs propriétés mécaniques intéressantes combinées à une faible densité. Toutefois, la fatigue des matériaux composites reste un sujet complexe relativement peu abordé. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse qui vise à mettre en place une méthodologie de dimensionnement des composants automobiles de structure, à partir d'un composite tissé verre/époxy. Cette méthodologie s'attache à être facile d'utilisation et adaptable au calcul de structure pour être applicable en Bureau d'Études. La première étape de cette étude est la caractérisation de la tenue en service du matériau sous chargements monotones et cycliques et l'identification des cinétiques d'endommagement. Au vu des résultats expérimentaux obtenus et à partir des approches de dimensionnement existantes, un critère de fatigue multi axiale est proposé. Ensuite, une optimisation du protocole d'identification des paramètres est effectuée afin de réduire au minimum le volume des campagnes d'essais. Enfin, le critère mis en place pour évaluer la durée de vie en fatigue du matériau composite tissé est validé sur des éprouvettes trouées et sur le train avant à lame composite.
Origine : Version validée par le jury (STAR)