Les matériaux composites offrent des solutions innovantes aux fabricants dans un large éventail d'industries, à la recherche de matériaux plus solides, plus légers et plus rentables. En même temps, ils posent de nouveaux défis en matière de modélisation et de fabrication en raison de la nature des matériaux. Grâce à notre vaste expérience et à nos outils d'analyse et de simulation de pointe, notre équipe d'ingénieurs peut tenir compte des contraintes résiduelles, prédire les performances, analyser la fiabilité et les défaillances potentielles, optimiser la construction et fournir des informations précises pour la fabrication, et ce, avant même qu'un prototype physique ne soit construit.
Qu'est-ce qu'un matériau composite ?
Un composite est un matériau constitué de plusieurs couches de matériaux composants différents. Les principaux composants d'un matériau composite sont :
- Matériau de cœur
Nid d'abeille, bois, PU, PVC, PS, ... - Matrice
Il s'agit du matériau de liaison entre les différentes couches. Le matériau de la matrice est généralement une résine. - Fibres de renforcement
Ces fibres sont responsables des propriétés anisotropes (c'est-à-dire dépendantes de la direction) et de la plus grande rigidité du matériau composite. Les fibres peuvent être unidirectionnelles, tricotées, cousues ou tissées.
Avantages des composites
Les matériaux composites présentent clairement un grand nombre d'avantages par rapport aux matériaux plus traditionnels :
- Solution généralement à faible coût
- Formes géométriques complexes possibles, souvent difficiles à réaliser avec des techniques de fabrication plus traditionnelles
- Grande résistance et faible poids
- Bonne résistance aux produits chimiques, ce qui permet de les utiliser, entre autres, pour la fabrication de réservoirs de stockage de produits chimiques
- Résistance à la corrosion
- Grande résistance à la fatigue (par exemple, fibres de carbone)
- Les propriétés du matériau composite peuvent être personnalisées (conception du matériau)
- Absorption faible voire nulle de l'humidité
- Amortissement élevé des vibrations
Inconvénients des composites
Les matériaux composites présentent également un certain nombre d'inconvénients :
- Comportement anisotrope de la déformation thermique
- Faible rigidité et résistance au cisaillement interlaminaire
- Problèmes de durabilité à long terme (UV, chaleur, vieillissement, ...)
- Résistance limitée à la chaleur et au feu du matériau de la matrice
- Comportement de rupture fragile indésirable
- Le recyclage des composites est un véritable défi
- Difficultés d'utilisation des composites avec des joints conventionnels (boulons, rivets, collage)
- Sensibilité à la qualité de fabrication (poussière, poches d'air, autres imperfections)
Caractéristiques spéciales des matériaux composites
En choisissant soigneusement les matériaux composants dont est constitué un composite, certaines propriétés intéressantes peuvent émerger :
- Les composites peuvent être conducteurs ou non, sont non magnétiques et transparents aux radars
- Les composites peuvent avoir une faible conductivité thermique
- Stabilité thermique due à un coefficient de dilatation thermique négatif (fibres de carbone)
Analyse et évaluation des matériaux composites
Analyse des composites avec la méthode des éléments finis
Les structures en matériaux composites sont analysées avec la méthode des éléments finis. L'analyse des matériaux composites diffère considérablement de l'analyse des matériaux plus conventionnels, car ces matériaux doivent être évalués couche par couche, tant pour le matériau de cœur, les fibres de renforcement ainsi que la matrice. La résistance et la rigidité d'un matériau composite sont également fortement dépendantes de la direction (anisotropes).
Le calcul de la rigidité d'un stratifié (c'est-à-dire un ensemble de couches de matériau empilées) est une étape importante dans l'évaluation du composite à l'aide de la méthode des éléments finis. La rigidité du stratifié dépend du nombre de couches et de la direction des couches de matériau individuelles. De plus, chaque couche peut avoir des propriétés mécaniques différentes, des épaisseurs différentes et une orientation des fibres différente.
Prédiction de la rupture des composites
L'approche la plus simple pour prédire la rupture d'un matériau composite consiste à supposer que le matériau se rompt dès qu'une valeur de contrainte de référence est dépassée dans une couche du matériau. Cette approche est appelée le mode de rupture de la première couche. Une autre approche suppose qu'un matériau composite se rompt lorsque la dernière couche échoue. Cette approche est appelée le mode de rupture de la dernière couche.
Une autre voie d'évaluation de la rupture est le critère de rupture Tsai-Wu. La philosophie de cette approche est similaire au critère de Von Mises pour les matériaux isotropes. Le critère de Tsai-Wu évalue les éléments suivants :
- Résistance et rigidité directionnelles du matériau (résistance longitudinale, transversale et au cisaillement)
- Différenciation entre les contraintes de traction et de compression
- Interactions directionnelles des contraintes entre les différentes couches
Critères de rupture
Outre les critères mentionnés ci-dessus, d'autres critères de rupture standard de l'industrie sont disponibles pour évaluer la résistance des matériaux composites :
- Contrainte maximale
- Déformation maximale
- Tsai-Hill
- Tsai-Wu
- Hashin
- Puck
- Cuntze
- LaRC
- Hoffman
- Sandwich
Des critères de rupture supplémentaires sont développés pour l'analyse de la fatigue des composites :
- Norris
- Franklin-Marin
- Hashin-Rotem
- Hashin-Sun
- NU modifié
- Norris-McKinnon
- Christensen
Des questions sur la conception des matériaux composites ?
Notre équipe d'ingénieurs a une vaste expérience dans la conception de matériaux composites ainsi que dans l'analyse et l'évaluation de la résistance et de la rigidité des composites. Vous avez des questions sur les matériaux composites ou vous avez un projet impliquant ces matériaux ? Faites-le nous savoir par email. Nous serons ravis de vous faire savoir comment nous pouvons vous aider dans vos projets !