Academic literature on the topic 'Composites à fibres – Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus) – Modèles mathématiques'

L'utilisation des stratifies composites dans des structures aerospatiales de plus en plus complexes a rendu necessaire l'elaboration de modeles previsionnels du comportement mecanique de plaques composites lisses ou trouees. Dans ce cadre, cette etude concerne des stratifies en apc-2 (fibres longues de carbone et resine thermoplastique) soumis a une traction uniaxiale. Une comparaison systematique avec le composite thermodurcissable t300/914 a ete effectuee. Grace a des essais de cyclages sur divers stratifies lisses, a des mesures de deplacements plans par granularite laser sur des stratifies troues et aux suivis d'endommagement, il a ete possible d'adapter un modele de comportement elasto-plastique endommageable aux specificites de l'apc-2 et de reunir les outils necessaire a la modelisation du comportement mecanique de stratifies lisses et troues en composite thermoplastique

Le perçage de structures composites fibres longues en carbone/époxy est accompagné de dommages qui sont répertoriés suivant leur lieu d'apparition, on distingue trois zones, l'entrée du trou - qui correspond à la décohésion du pli supérieur du stratifié, la paroi du trou - avec l'arrachement de fibres et la dégradation de la résine et la sortie du trou - avec la décohésion du dernier pli. Les zones de bord et de sortie de trou sont le siége des défauts majeurs qui nuisent à la durée de vie des assemblages boulonnés ou rivetés. Dans le cadre de ce travail on s'intéresse à l'analyse du défaut de bord et du défaut en sortie du trou. Pour l'analyse du défaut de bord, une étude simplifiée est proposée. Elle consiste en étude expérimentale et numérique de la coupe orthogonale de stratifiés unidirectionnels orientés respectivement à 0ʿ, +45ʿ, 90ʿ et -45ʿ par rapport à la direction de la vitesse de coupe notée Vc. Pour l'analyse du défaut en sortie du trou, une étude expérimentale et numérique sur deux types de matériaux en carbone/époxy fibres longues est effectuée
The drilling of composite structures long fibres in carbon/epoxy is accompanied by damages which are indexed according to their place of appearance. We distinguish three zones: at the entry of the hole - which corresponds to the separation of the top ply of the laminate, at the wall of the hole - with wrenching of fibres and the resin degradation, and at the exit of the hole - with the separation of the last ply. The zones of the wall and hole exit are the place of the major defects which harm the lifetime of bolted or riveted assemblies. Within the framework of this work we are interested in the analysis of the wall and exit hole defects. To analysis the wall defect, a simplified study is proposed. It consists in a numerical and experimental study of the orthogonal cutting of unidirectional laminates. The angle (q) between the fibres and the cutting speed direction (Vc) is respectively 0ʿ, +45ʿ, 90ʿ and -45ʿ. For the analysis of the defect at the hole exit, an experimental and numerical study on two types of materials in carbon/epoxy long fibres is carried out

L'objet de ce travail est de développer un outil de prévision du comportement élastique-endommageable des matériaux composites à fibres discontinues orientées aléatoirement (C. F. D. O. A). L'étude a été abordée selon deux approches complémentaires. L'approche expérimentale avait pour objectif de constituer une base de données expérimentales nécessaire pour le développement de l'approche théorique. L'approche expérimentale a permis d'appréhender la microstructure du matériau et surtout d'identifier les mécanismes d'endommagement responsables de sa dégradation progressive. C'est au travers d'une méthodologie expérimentale basée sur l'utilisation conjointe des techniques d'émission acoustique et des observations microscopiques que les mécanismes d'endommagement ont été identifiés, localisés et attribués à des intervalles d'amplitudes caractéristiques. L'application de cette méthodologie d'investigation lors de différents types d'essais mécaniques (Traction, Traction avec décharges, Traction/Impact, Mode I, Mode II, Torsion,. . . ) et sur trois classes de matériaux a largement contribué à cerner l'influence des paramètres structuraux et du type de sollicitation sur l'avènement et l'évolution des mécanismes d'endommagement. Avec cet état d'esprit, il apparait évident que toute modélisation du comportement des C. F. D. O. A doit nécessairement tenir compte de cette spécificité structurale du matériau. La seconde approche du problème traite de la modélisation du comportement (3D) endommagé. C'est une approche micromécanique basée sur le modèle de Mori-Tanaka fondé sur la théorie de l'inclusion équivalente d'Eshelby. Cette modélisation consiste en un passage micro-méso suivi d'un passage méso-macro permettant ainsi d'intégrer le rôle de la mèche sur le comportement du matériau. La prise en compte des mécanismes d'endommagement a conduit a l'introduction de la notion de participation d'un mécanisme (i) a une phase (j) notée (Pji) et dont l'évolution est évaluée expérimentalement en se basant sur le suivi de l'endommagement par émission acoustique. L'outil de prévision ainsi développé aboutit alors à une étroite interaction entre les deux approches du problème. Il permet alors de prédire le comportement élastique-endommageable des C. F. D. O. A en y intégrant l'aspect microstructural de ces matériaux. L'identification d'une fonction de charge F (S, β), définie explicitement, permet de simuler des essais mécaniques tels que l'essai de traction. Ce travail est une contribution au domaine de recherches relatif à l'identification et la modélisation de l'endommagement dans les matériaux composites. Ceci permet alors l'intégration de cet endommagement dans les codes de calculs de structures.

Le comportement à l'endommagement en compression est un facteur très important dans la conception des matériaux composites, notamment lorsque ces derniers sont sujets à des concentration de contraintes. Le but de cette étude est de comprendre les mécanismes de défaillance des plaques stratifiées soumises à ce type de sollicitations. Pour éviter les difficultés habituelles de l'étude en compression, les tests mécaniques sont effectués sur des éprouvettes compactes. L'évolution de l'endommagement est suivie au cours des essais, puis reliée à la variation du comportement mécanique. Ceci permet de dégager, par la suite des critères et des lois de comportement.

Les composites 3D C/C sont utilisés dans l’industrie aérospatiale ou nucléaire pour leurstrès bonnes propriétés mécaniques à haute température. Afin d’assurer une intégrité optimaledes structures, la connaissance du comportement mécanique du composite, et plus particulièrementde ses mécanismes de rupture, est essentielle.Dans ce but, ce travail présente une modélisation de l’endommagement d’un composite3D C/C à température ambiante. Pour cela, une approche de modélisation à l’échelle mésoscopiquea été adoptée. A cette échelle, le composite 3D C/C présente deux types deconstituants : les baguettes de fibres de carbone et la matrice carbonée. Le comportement dechacun de ces méso-constituants est modélisé par une loi de comportement élastique endommageable(isotrope pour la matrice, orthotrope pour les baguettes) nécessitant un nombrede paramètres restreint. L’identification de ces paramètres repose sur des données expérimentalestirées de travaux antérieurs ainsi que celles issues d’une campagne expérimentale,menée durant la thèse, visant à compléter la connaissance du comportement mécanique ducomposite 3D C/C à l’échelle mésoscopique. Par ailleurs, des essais macroscopiques ont étéréalisés afin de valider le modèle développé. Les réponses expérimentales d’essais de flexion4 points et de flexion 3 points sont notamment bien reproduites par le méso-modèle
3D C/C composites are commonly employed in aerospace industry due to their outstandingmechanical properties at high temperatures. In order to ensure the integrity of structures,knowledge of the composite mechanical behaviour and fracture mechanisms is crucial.For this purpose, damage modeling of a 3D C/C composite, at room temperature, isproposed in which a meso-scale approach is considered. At this description scale, 3D C/Ccomposites are made of two materials : carbon fibers yarns and carbon matrix. Each materialbehavior is modeled by an elastic damage law (isotropic for matrix, orthotropic for yarns)with a limited number of parameters.The parameters identification process is based on experimentaldata obtained from previous work and from an experimental campaign carried outthrough this thesis work. This campaign aimed to a greater understanding of the materialmechanical behavior at mesoscopic scale. Furthermore, experimental tests were carried outto validate the composite modeling. It is shown that experimental reponses obtained fromfour-point and three-point bending tests are particularly well described from the proposedmesoscopic model

Ce travail de thèse présente le développement de modèles numériques pour la modélisation de l’endommagement des matériaux composites à fibres continues et matrice polymère. L’objectif est de fournir des outils numériques efficaces pour prédire l’endommagement sous chargement monotone et cyclique. Deux modèles ont été développés, un basé sur une approche multi-échelle d’homogénéisation et l’autre défini dans le cadre de la mécanique de l’endommagement. Ce dernier est utilisé dans une nouvelle approche pour prédire la durée de vie des matériaux composites. La première approche est une méthode multi-échelle afin d’étudier l’influence de l’endommagement à l’échelle microscopique sur le comportement macroscopique du composite. Le comportement macroscopique est déterminé par homogénéisation d’une cellule unitaire. L’approche est appliquée au cas d’un composite unidirectionnel afin d’étudier l’influence de l’endommagement de la matrice. Pour contourner les difficultés d’une approche multi-échelle, un modèle mésoscopique basé sur le couplage entre la plasticité et l’endommagement est proposé. Le modèle est validé et confronté à d’autres modèles ainsi qu’à des résultats expérimentaux. La dernière contribution est le développement d’une nouvelle approche pour la prédiction de la durée de vie des matériaux composites s’appuyant sur l’hypothèse que le matériau atteint un état stabilisé d’endommagement. Cette hypothèse permet d’utiliser l’analyse simplifiée pour prédire les états stabilisés. Le modèle de fatigue proposé est une loi puissance entre le nombre de cycles et les forces thermodynamiques associées à l’endommagement. L’approche est validée à partir de résultats expérimentaux
A numerical framework for the modeling of the damage in fibre reinforced polymer composite materials has been developped. The objectives were to provide efficient numerical tools to predict the damage under static and cyclic loading. Two different models were proposed, one based on a fully computational multi-scale homogenization technique and a second one under the hypothesis of the meso-mechanics associated with a coupled damage-plastic constitutive model. The latter has been used in a new approach developped to predict the life of composite structures. As a first approach, a multi-scale application has been developed to better understand the influence of the damages occuring at lower scales on the macroscopic response. The macroscopic is defined by homogenization of a unit cell. The scheme is used to analyze the effect of the matrix damage on the material response in the case of unidirectional composites. To overcome the difficulties of the multi-scale approach, a meso-scale phenomenological model based on the coupled plasticity with continuous damage mechanics is proposed. All comparisons of the simulation with experiments and other models have shown good agreements. The third contribution is the development of a new approach to predict the life of composite materials based on the assumption that the material reaches a damage stabilized state during his life. This assumption makes it possible to use the simplified analysis. The life of the material is considered depending on the level of the thermodynamical forces associated with damage at the stabilized state by the use of a power law. Good agreements are obtained with experimental results

La modélisation de l'endommagement des matériaux composites hybrides a joué un rôle important dans la conception des structures composites. Bien que des modèles numériques pour l'endommagement progressif des pipes en matériaux composites hybrides à enroulement filamentaire, tels que la fissuration matricielle, le délaminage et la rupture des fibres, aient été développés dans la littérature, des améliorations sont encore nécessaires. Cette thèse vise à développer des modèles d'endommagement adaptés à la prédiction du comportement dynamique et l'endommagement intra-laminaire et inter-laminaire dans les tubes en matériaux composites hybrides sous une pression interne, et soumis à un chargement dynamique tel que l'impact d'un objet externe. Les approches de la mécanique de la rupture et de la mécanique de l’endommagement ont été adoptées pour construire le modèle de dommages. Une analyse détaillée a été réalisée pour avoir une vue d'ensemble de tous les mécanismes d'endommagement jusqu'à la rupture finale. Des éléments cohésifs ont été implémentés dans les modèles bidimensionnels et tridimensionnels pour simuler l'initiation et la propagation d’endommagement interlaminaire (délaminage) dans les stratifiés. Une subroutine a été implémentée dans le code de calcul FE (Abaqus/Explicit) via une VUMAT afin de modéliser l’endommagement intralaminaire. Par la suite, des validations basées sur des corrélations essai/calcul sur des sous-systèmes et/ou des pièces réelles ont été effectuées. L'initiation des dommages est prédite sur la base des critères de rupture contrainte-déformation, tandis que la loi d'évolution des dommages est basée sur la dissipation de l'énergie de rupture. Le comportement non linéaire du matériau en cisaillement a également été pris en compte et validé par rapport aux résultats expérimentaux. Les prédictions montrent un excellent accord avec les observations expérimentales
Damage modelling of hybrid composite materials has played an important role in the design of composite structures. Although numerical models for the progressive damage of filament wound hybrid composite pipes such, matrix cracking, delamination, and fiber failure have been developed in the literature; there is still a need for improvement. This thesis aims to develop damage models suitable for predicting dynamic behaviour and intra-laminar and inter-laminar damage in hybrid composite tubes under internal pressure subjected to dynamic loading such as the impact of an external object. Fracture mechanics and continuum damage mechanics approaches were adopted to build the damage model. A detailed analysis was performed to have an overview of all the damage mechanisms until the final failure. Cohesive elements were inserted into the two-dimensional and three-dimensional models to simulate the initiation and propagation of matrix cracking and delamination in cross-layered laminates. The damage model was implemented in the FE code (Abaqus/Explicit) by a user-defined material subroutine (VUMAT). Subsequently, validations based on test/calculation correlations on real subsystems and/or parts were performed. Damage initiation was predicted based on the stress-strain failure criteria, while the damage evolution law was based on the dissipation of failure energy. The nonlinear behavior of the material in shear was also taken into account and validated against experimental/numerical results. The predictions show excellent agreement with the experimental observations

L'objet de ce travail est l'identification d'un modèle d'interface inter laminaire pour la prédiction du délaminage dans les structures composites stratifiées, sous chargement statique. Les applications concernent le matériau m55j/m18 (fibres de carbone a très haut module / résine époxyde) utilise dans les applications spatiales. Le modèle développe est base sur la mécanique de l'endommagement et la mésomodélisation des composites stratifies. Ce concept, propose par p. Ladeveze, permet de déterminer l'évolution des endommagements principaux dans toute structure jusqu'a sa rupture à partir de la connaissance du comportement des plis et des interfaces qui la constituent. Le modèle du pli élémentaire a été identifie pour le m55j/m18 en utilisant la méthodologie précédemment développée au LMT/Cachan. En vue de l'identification précise des caractéristiques de l'interface inter laminaire, une base matériau tres complète a été obtenue en exploitant les essais classiques d'initiation (edt) et de propagation (dcb, enf, mmf et cls) du délaminage. Ces essais ont été réalisés pour différentes valeurs de ( = 0, 22,5et 45), étant l'orientation relative des couches adjacentes a l'interface. Une estimation de l'énergie dissipée dans les plis des éprouvettes de propagation a permis de classifier les interfaces (=0) comme étant indépendantes de cet angle d'un point de vue énergétique. Cependant l'instabilité du phénomène d'amorçage et la complexité des essais de propagation rendent ces essais classiques difficiles à exploiter. Les essais sur plaques trouées pour lesquels l'amorçage du délaminage est reproductible et sa propagation autour du trou relativement stable semblent à cet égard plus fiables. De plus, ce type d'essais offre des informations expérimentales relativement riches telles que formes et tailles des surfaces délaminées. Une première comparaison essais/calculs montre le potentiel de tels essais pour une identification globale du modèle d'interface.

A l'heure actuelle le stockage de l'hydrogène sous forme gazeuse, comprimée à haute pression, apparaît comme la solution le plus mature présentant le meilleur compromis en termes de masse, de pression de service mais aussi de volume des réservoirs. Cependant pour un développement plus large et sécurisé, l'amélioration des performances et la réduction des coûts des réservoirs restent des enjeux prioritaires. C'est dans ce contexte que nous avons étudié le stockage de l'hydrogène dans des réservoirs de type IV, en composites fibres de carbone/époxy. Ce travail a eu pour objectif d'accroitre la fiabilité du dimensionnement. Dans un premier temps, une étude expérimentale de caractérisation des matériaux constitutifs du réservoir a été réalisée. Pour améliorer la fiabilité des calculs, un modèle probabiliste a été proposé pour décrire le comportement de la partie composite du réservoir, principalement la rupture des fibres. Des calculs multiéchelles ont été mis en place basés sur les propriétés mécaniques et physiques des fibres. Les autres modes de dégradations, décollement entre plis, liaison embase-liner ont aussi été pris en compte dans les calculs de comportement du réservoir jusqu'à son éclatement. Enfin des recommandations de dimensionnement du réservoir ont été proposées afin d'améliorer les performances tout en minimisant la masse de composite dans un objectif de réduction des coûts
Presently, the compressed hydrogen storage under high pressure appears to be the most sophisticated solution regarding to a compromise of mass, service pressure and also volume of pressure vessels. However, the challenges of pressure vessels nowadays are their performance improvement as well as their cost reduction. In this context, we studied the type IV hydrogen storage pressure vessel in carbon fibre/epoxy composites. This work aims to obtain a reliable pressure vessel design. Firstly, an experimental study of associated materials and pressure vessel characterisation has been carried out. Then, we proposed a probabilistic model for a composite which is dedicated in particular to fibre breakage using multi-scale simulations in accordance with its mechanical and physical properties. Once this model joined with damage criteria dedicated separately to the others damage mechanisms are integrated into the pressure vessel simulations. Finally, recommendations on composite pressure vessels have been proposed in order to improve their performances and to decrease the mass of composite directly corresponding to the reduction of composite pressure vessels cost

Les composites 3D C/C sont utilisés, entre autres, comme bouclier thermique dans le domaine aérospatial en raison de leurs propriétés thermomécaniques et de leur résistance à l’ablation à haute température. Si leur comportement macroscopique a déjà été largement étudié par le passé, aucun modèle ne permet actuellement de relier de manière satisfaisante le comportement des constituants au comportement effectif du composite. En particulier, les modèles phénoménologiques ne permettent pas d’anticiper l’effet d’un éventuel changement de constituant. De plus, le rôle des interfaces dans le comportement hors-axe du composite reste à déterminer. L’objectif de ce travail est donc d’établir un modèle multi-échelle du comportement thermomécanique d’un 3D C/C en s’intéressant plus particulièrement au rôle des interfaces à haute température. Ce travail s’articule autour de la caractérisation de la morphologie et du comportement thermomécanique du matériau et de ses constituants. Le développement d’un dispositif original de push-out a notamment permis de mesurer les propriétés des interfaces baguette/baguette et fibre/matrice en température. Ces données expérimentales ont été intégrées à un modèle numérique du matériau à l'échelle mésoscopique. Un modèle de zone cohésive ad hoc a été développé afin de prendre en compte le comportement spécifique des interfaces. Les simulations éléments finis ainsi réalisées ont permis de reproduire avec succès le comportement non-linéaire du matériau de même que l'évolution de ses propriétés effectives avec la température. Ce modèle permet ainsi de relier les mécanismes d’endommagement observés aux échelles inférieures au comportement macroscopique du 3D C/C
C/C composites are used as shield for aerospace applications since they display beneficial thermo-mechanical properties at high temperature, as well as high resistance to ablation. Though the macro-scale behavior was thoroughly studied in the past, no model can efficiently tie the properties of the constituents at the meso-scale to the effective macroscopic behavior. In addition, the phenomenological models proposed so far cannot predict a change in the composition. Besides, the interfaces influence on the out-of-axis mechanical behavior of the composite is yet to be evaluated. Thus, the goal of this work is to build a multi-scale model for the thermo-mechanical behavior of a 3D C/C, with a particular focus on the interfacial properties and its evolution with temperature. This study is based on the morphological and thermo-mechanical characterization of the material and its constituents. An original push-out test device has been developed to conduct high-temperature interfacial characterization at two scales (yarn/yarn and fiber/matrix interfaces). Collected experimental data were used for modeling purposes at the meso-scale. A cohesive zone model has been developed to take into account the specific behavior of the interfaces. Finite element simulations were successfully performed to reproduce the non-linear behavior of the material including the effective properties evolution with temperature. This model allowed to effectively link the damage mechanisms observed atthe lower scale to the 3D C/C macro-scale behavior