Multi-scale characterisation of material properties of composite fabrics through modal tests

Caractérisation multi-échelle des propriétés matériaux de tissus composites par mesures vibratoires

Marco Montemurro (1) , Frédéric Dau (1) , Laurent Guillaumat (1) , Lorenzo Cappelli (1)

1 I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux

One of the main issues of composite materials is related to the difficulty of characterising the material properties at mesoscopic and microscopic scales. Classical mechanical tests are not able to provide the full set of 3D properties : these tests can provide only the in-plane elastic properties of the constitutive lamina. Therefore, to go beyond the main restrictions imposed by standard destructive tests, this work deals with the problem of characterising the material properties of a multilayer composite plate, through a non-destructive modal test performed at the macro-scale : a multi-scale identification strategy (MSIS) is proposed. The MSIS aims at identifying the constitutive properties by exploiting the information restrained in the composite macroscopic dynamical response. The MSIS relies on the strain energy homogenisation technique of periodic media and on a gradient-based algorithm to perform the solution search. The identification problem is stated as a constrained inverse problem, where the objective function depends upon both experimental and numerical natural frequencies of the specimen. In this background, the optimisation variables are both geometrical and material properties of the constitutive phases composing the representative volume element. The effectiveness of the approach will be proven through a campaign of tests conducted on multilayer composites.

L’inconvénient principal des méthodes de caractérisation classiques est lié à l’impossibilité de pouvoir déterminer les constantes techniques d’élasticité dans le cas 3D : avec les essais classiques il est possible de déterminer les propriétés élastiques dans le plan du pli constitutif et avoir des valeurs approximées vis-à-vis des modules de cisaillement transverse. Aucune information ne peut être déduite sur les propriétés des phases constitutives à l’échelle microscopique. Pour contourner les restrictions propres aux essais de caractérisation standard, on propose une stratégie d’identification multi-échelle (MSIS, multi-scale identification strategy) permettant d’évaluer les propriétés matériaux à toute échelle caractéristique du problème sur la base d’essais non-destructifs effectués à l’échelle macroscopique. La méthode MSIS s’appuie d’une part sur une technique d’homogénéisation numérique et d’autre sur l’utilisation d’un algorithme au gradient pour résoudre le problème d’optimisation associé. Le problème est formulé comme un problème de minimisation sous contrainte : l’idée est celle de minimiser l’écart entre la réponse dynamique « numérique » (dépendant des propriétés du matériau aux échelles inférieures) et celle expérimentale tout en respectant les contraintes d’existence du tenseur de rigidité des phases constitutives à l’échelle microscopique. L’efficacité de la méthode sera prouvée à travers une campagne d’essais faites sur composites à renfort unidirectionnel.

Mots clés: Modal analysis; Composite material; Homogenisation

Mots clés: Homogénéisation; Matériaux Composites; Optimisation; Analyse modale

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]; Vibrations [physics.class-ph]

Marco Montemurro, Frédéric Dau, Laurent Guillaumat, Lorenzo Cappelli. Multi-scale characterisation of material properties of composite fabrics through modal tests. Journées Nationales sur les Composites 2017 (JNC20), Jun 2017, Champs-sur-Marne, France. pp.100. ⟨hal-01695716⟩