La thèse porte sur l’effet des températures froides extrêmes sur le comportement à l’impact à basse vitesse de panneaux sandwiches en matériaux composites avec une âme de type nid d’abeilles de Nomex pressentis pour la fabrication de robots d’exploration lunaire. Le projet est scindé en deux grands volets :​ un volet expérimental et un volet numérique.

Le volet expérimental inclut la caractérisation du comportement mécanique des constituants du panneau sandwich à températures froides, l’étude du comportement à l’impact du panneau sandwich à basse température et l’étude de l’effet de la température d’impact sur le comportement mécanique après impact des panneaux endommagés. Le panneau sandwich étudié est fait de peaux de plis tissés en carbone-époxyde [(±45)(0/90)(0/90)(±45)] et d’une âme en nid d’abeilles de Nomex. Les températures d’essais retenues pour la campagne expérimentale sont la température pièce, -70°C et -150°C. L’étude du comportement mécanique des constituants du panneau sandwich à basse température montre que la résistance en traction du matériau composite formant les peaux du panneau sandwich diminue à basse température, alors que sa résistance en compression augmente. À basse température, le comportement en cisaillement est caractérisé par une augmentation de la rigidité et de la résistance à la rupture, alors que la déformation à la rupture diminue. L’effet de la température sur le comportement du nid d’abeilles de Nomex se traduit principalement par une augmentation de la rigidité et de la résistance équivalente en compression hors-plan à basse température. L’étude du comportement à l’impact du panneau sandwich montre une augmentation de l’endommagement pour les échantillons impactés à basse température pour la plupart des conditions d’impact évaluées. L’étude combinée de l’endommagement induit et de l’énergie absorbée à l’impact indique que le développement de l’endommagement requiert moins d’apport d’énergie à basse température. Finalement, les résultats montrent que la taille de l’impacteur utilisé influence l’effet de la température sur le comportement à l’impact. Des essais de compression dans le plan sur les panneaux endommagés permettent d’évaluer l’effet de la température d’impact sur le comportement après impact. Pour les conditions d’impact étudiées, bien que la température affecte l’endommagement induit, la résistance en compression après impact est peu influencée par la température d’impact. En effet, on observe une faible diminution de la résistance résiduelle en compression avec la température d’impact qui diminue pour certaines conditions d’impact, alors que pour d’autres, aucun effet n’est observé. De plus, l’effet de la température d’impact est négligeable en comparaison avec la diminution initiale de la résistance en compression observée entre les échantillons intacts et les échantillons les moins endommagés de cette étude.

Pour le deuxième volet de la thèse, un modèle numérique par la méthode des éléments finis est développé pour reproduire le comportement à l’impact du panneau sandwich à différentes températures. Le modèle de comportement pour le matériau composite inclut l’utilisation de trois variables d’endommagement et d’un modèle de plasticité en cisaillement. La rupture dans le plan est prédite avec le critère de la déformation maximale. Une fois la rupture détectée, l’évolution des variables d’endommagement est définie afin d’obtenir un adoucissement linéaire du comportement. Les propriétés du modèle de comportement pour le matériau composite proviennent en majeure partie d’essais de caractérisation et de la littérature. Pour la modélisation du nid d’abeilles de Nomex, la structure cellulaire du nid d’abeilles est modélisée. Chaque cellule prend la forme d’un hexagone parfait. Le comportement mécanique des parois est isotrope élastique avec écrouissage parfaitement plastique. Les propriétés de la loi de comportement sont obtenues avec des essais de compression hors-plan effectués à chaque température étudiée. Le modèle d’impact est appliqué à la simulation de différentes conditions d’impact à température pièce, -70°C et -150°C. Les résultats sont validés avec les essais expérimentaux. Le modèle développé permet de reproduire de façon globale le comportement du panneau sandwich impacté et les effets des températures froides sont généralement bien prédits par le modèle.

The thesis project is focused on the effect of extreme cold temperatures on the low-velocity impact behavior of woven carbon/epoxy composite sandwich panels with Nomex honeycomb core for lunar exploration rovers. The project is divided into an experimental campaign and a numerical investigation.

The experimental campaign developed includes the study of the effect of extreme cold temperatures on the mechanical behavior of the constituents of the sandwich panel individually, the study of the low velocity impact behavior of the sandwich panel under extreme cold temperatures and the investigation of the effect of impact temperature on the compression after impact behavior of the damaged panels. The sandwich panel studied is made of plain-weave carbon/epoxy composite skins [(±45)(0/90)(0/90)(±45)] with a Nomex honeycomb core. For the experimental campaign, tests are performed at room temperature, -70°C, and -150°C. The study of the effect of temperature on the mechanical behavior of the composite material used for the skins of the sandwich panel shows that the tensile strength decreases at low temperatures, while the compressive strength increases. The inplane shear behavior is characterized by an increase in the in-plane shear modulus and the in-plane shear strength at low temperatures, while the maximum in-plane shear strain diminishes. At cold temperatures, the out-of-plane compressive behavior of the Nomex honeycomb core is characterized by an increase of rigidity and maximum compressive strength. Impact of the sandwich panels at cold temperatures leads to an increase of damage for most impact conditions tested. The conjoint study of the absorbed energy and the damage induced by impact loadings shows that it requires less energy to produce damages at cold temperatures. Finally, the results of the impact tests show that the size of the impactor has an influence on the effect of temperature on the impact behavior of the sandwich panel. Compression after impact (CAI) tests show that the effect of impact temperature on the residual compressive strength is almost negligible, although impact temperature has an effect on the damage induced. For some impact conditions, a slight decrease of the residual compressive strength was measured for specimens impacted at low temperatures, while for the other impact conditions, impact temperature has simply no effect on the residual compressive strength. The effect of impact temperature on the residual compressive strength is negligible with regard to the reduction of the residual compressive strength between the undamaged panels and the panels with the least amount of damage in this study.

The second part of the project is focused on the development of a numerical model using the finite element method for the simulation of impact loadings at room temperature, -70°C, and -150°C. The model for the composite material includes the use of three damage variables combined with a plasticity model. The in-plane failure is predicted with the maximum strain criteria. The post failure evolution of the damage variables is defined to have a linear softening. For the Nomex honeycomb core model, the cellular geometry of the Nomex core is modelled with each cell represented as a perfect hexagon. The material behavior of the cell wall is isotropic elastic perfectly plastic. The majority of the properties required for the composite and Nomex honeycomb core models comes from experimental investigations or the literature for all three temperatures. Results of the numerical simulations are validated with experimental data. It shows that the model can predict the overall behavior of the sandwich panel under impact loading. The effects of temperature on the impact behavior of the sandwich panel are overall well captured by the model.