Academic literature on the topic 'Composites organiques tissés 3D'

Les composites tissés 3D, à l'aide de leurs grandes libertés de conception, peuvent fournir des propriétés mécaniques adaptées aux besoins spécifiques d'une structure. La complexité architecturale de ces matériaux induit néanmoins des propriétés, des comportements ainsi que des endommagements très difficiles à prédire. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent directement dans cette problématique et cherchent à développer des outils permettant, par simulation numérique, de prévoir les caractéristiques mécaniques de ce type de matériaux. Afin de répondre à cet objectif, une approche multiéchelle, alliant essais expérimentaux et simulations numériques, a été adoptée. Cette démarche permet, en appliquant des sollicitations réelles, de considérer la géométrie des renforts et les hétérogénéités du matériau, observables à l'échelle mésoscopique, qui sont responsables du comportement macroscopique du composite tissé. Le travail d'investigation expérimentale s'est attaché à caractériser le comportement d'un composite interlock 2,5D et des ses constituants ainsi que les mécanismes et cinétiques de rupture, pour des sollicitations de traction/flexion, grâce à des observations tomographiques aux rayons X et au concept d'interzone. En ce qui concerne la modélisation numérique, un critère de rupture permettant de simuler la dégradation ultime du composite, en coupant les fils de renforts, a été présenté et testé sur une cellule représentative du composite expérimentale. Les résultats en termes de localisations, d'orientations et de cinétiques de l'endommagement sont en accord avec les observations expérimentales. Ensuite, après avoir estimé l'influence des différents paramètres architecturaux sur le critère de rupture avec une campagne de calcul éléments finis, des architectures optimisées, pour les sollicitations considérées, ont pu être proposées et comparées à l'interlock 2,5D. Toujours dans l'optique d'une meilleure prédiction du comportement des composites tissés, les travaux se sont également intéressés à une modélisation plus fine des mécanismes d'endommagement. Une approche fiabiliste a donc été introduite sur le critère de rupture à l'aide d'une distribution statistique de Weibull. De plus, un autre mécanisme d'endommagement a aussi pu être pris en compte dans la modélisation en simulant, avec le modèle GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman), la cavitation de la matrice. Enfin, des techniques de réduction de modèle ont été employées pour diminuer le coût calcul de la modélisation multiéchelle afin d'identifier, par exemple, des propriétés matériaux par méthode inverse ou de simuler des essais de fatigue<br>With their large flexibility of design , 3D woven composites can provide mechanical properties tailored specificially to structural needs. However, the architectural complexity of woven reinforcements presents serious challenges when predicting properties, behaviours and damage processes. The present work deals with these challenges and seeks to develop numerical tools which are able to foresee the mechanical characteristics of this kind of materials. For this purpose, a multiscale approach, which combines experimental tests and numerical simulations, has been adopted. This approach allows, simultaneously, to take into account the loads and composite behavior, at the macroscopic scale, also the reinforcement geometry and the material heterogeneities which are only visible at the mesoscopic scale. The experimental investigation has been carried out to characterize the behaviour of an 2.5D interlock composite and its constituents. Examinations of the damage mechanisms have also been performed, using tomography and the interzone concept, for this woven composite under loadings in tension and combined tension and bending. With regards to the numerical modeling part, the ultimate degradation of the composite was simulated by cutting the reinforcement yarns with a failure criterion, previously reported, on a 3D representative cell of the experimental composite. For the two kinds of macroscopic loadings, the locations, orientations and kinetics of the damage were found to be fully in agreement with the experimental results. The influence of the architectural parameters on the failure criterion was then evaluated by finite element calculation. Consequently, it has been possible to proposed optimized architectures and make a camparison, for the two macroscopic loadings, with the 2.5D interlock woven composite. Still motivated to improve the prediction of the behaviour of woven composites, this work has also been on developing a finer modeling approach to the understanding of damage mechanisms. A stochastic approach was therefore introduced to the failure criterion using a Weibull statistical distribution. In addition, matrix cavitation has also been taken into account in the modelling. This damage mechanism was simulated using the GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman) model. Finally, model reduction techniques have been applied to lower the cost of computing multiscale modeling in order to identify, for example, material properties by an inverse method or to simulate fatigue tests

Cette thèse porte sur l’étude du comportement mécanique des préformes textiles sèches en verre et carbone renforcées dans l’épaisseur pour des applications composites épaisses de forme complexe. La technique de renforcement par piquage dans l’épaisseur a été choisie pour ses avantages par rapport aux autres technologies de renforcement dans l’épaisseur. Des préformes en verre (armure toile) et carbone (armure satin 5) à différents nombre de plis, renforcées par un fil de carbone et selon des différents motifs de piquage (0°, 90° et 0°/90°) ont été réalisées grâce à une machine de piquage développée au sein du laboratoire et adaptée aux exigences de la thèse. Ces préformes ont servi de supports à une démarche d’identification du comportement mécanique par le biais d’essais élémentaires en traction uni-axiale, flexion et cisaillement plan. Cette partie de l’étude a permis de comprendre les contributions des différents motifs de piquage sur les propriétés mécaniques des préformes piquées en comparaison avec celles non piquées. Une comparaison sur l’influence du renforcement par piquage de ces deux types de renforts a été menée selon les mécanismes de déformation et les contributions du fil de piquage dans le plan. Associées à ces essais élémentaires, l’influence de l’apport du piquage sur les propriétés mécaniques à la déformabilité lors de l’étape de préformage par emboutissage a été analysée sur deux types de stratification en carbone : [0°/90°, -45°/+45°] et [0°/90°, -45°/+45°]2. L’étude s’est basée sur l’évaluation de la force maximale d’emboutissage, l’avalement maximal, les cartographies d’angles de cisaillement ainsi que les défauts apparents au cours de cette étape de préformage qui a été menée à deux pressions différentes de serre-flan (0,05 et 0,2 MPa). En conclusion, les résultats montrent qu’un piquage localisé au niveau des zones les plus sollicitées en emboutissage prend un intérêt considérable et présente un compromis entre les propriétés mécaniques dans le plan et hors plan : faible force d’emboutissage, faible avalement, plus de déformabilité du renfort fibreux et absence des défauts structuraux<br>This thesis deals with the study of the mechanical behavior of thickened glass and carbon dry textile preforms for thick composite applications with complex shapes. The Through-the-Thickness Reinforcement technique by tufting was chosen because of its advantages over other 3D reinforcement technologies. Glass (plain weave) and carbon (5H satin weave) preforms with different number of plies, reinforced by a carbon thread and according to different tufting patterns (0°, 90° and 0°/90°) were performed by a tufting machine developed within the laboratory and adapted to the requirements of the thesis. These preforms served as a support for an identification approach of the mechanical behavior by means of elementary tests in uniaxial tensile, bending and in-plane shear. This part of the study made it possible to understand the contributions of the different tufting patterns on the mechanical properties of tufted preforms in comparison with those un-tufted. A comparison on the influence of tufting reinforcement of the plain and 5H satin weaves respectively with glass and carbon fibers was conducted according to the deformation mechanisms and the contributions of the tufting thread. Associated to these elementary tests, the influence of tufting on the out-of-plane mechanical properties during the stamping preforming stage was analyzed on two types of carbon stratification: [0°/90°, -45°/+45°] and [0°/90°, -45°/+45°]2. The study was based on the evaluation of maximum punch force, maximum material draw-in, shear angle mapping, and apparent defects during the forming step which was conducted at two different blank-holder pressures (0.05 and 0.2 MPa). In conclusion, the results show that a localized tufting at the most stressed areas for stamping takes a considerable interest and presents a compromise between the in-plane and out-of-plane mechanical properties: low punch force, low material draw-in and more deformability of the preform with no structural defects

Les composites 3D renforcés de tissus interlocks d'angle couche-à-couche sont recherchés pour leurs bonnes résistances au délaminage et aux impacts. Cependant, la détermination précise du comportement mécanique de tels composites est complexe à cause de leur architecture numérique. L'objectif de ce travail est de déterminer les modules élastiques d'une plaque équivalente, en traction et en flexion, par une méthode d'homogénéisation asymptotique appliquée à une cellule unité périodique. Un programme spécifique est développé, permettant la modélisation géométrique et l'analyse mécanique de manière systématique et efficace. Cet outil permet de considérer l'influence du procédé de fabrication sur les paramètres géométriques et matériaux : l'architecture réelle après infusion et l'endommagement des fils durant le tissage. Les propriétés élastiques équivalentes sont validées par des simulations de plaques hétérogènes 3D et par comparaison expérimentale. L'interface fil/matrice est aussi analysée pour l'initiation d'endommagement dans le composite, introduit dans l'outil numérique par des surfaces cohésives, afin de compléter la modélisation du comportement mécanique<br>3D composites reinforced with layer-to-layer angle-interlock fabrics are attractive due to their superior properties in delamination and impact damage resistance. Nevertheless, the accurate prediction of the mechanical behavior of such composites is challenging due to the complex architecture. The purpose of this work is to assess the equivalent membrane and bending elastic moduli of the shell-type structure by a numerical asymptotic homogenization procedure on a periodic unit cell. A specific program is developed, allowing for parameterized geometrical modeling and mechanical analysis in a systematic and efficient way. This numerical tool enables to consider the influence of the manufacturing process on the geometric and material parameters: the real composite architecture after infusion and the yarn damage during weaving. The effective elastic properties are finally validated using numerical computations on 3D heterogeneous plates and by comparison with experimental tests. The yarn/matrix interface is also analyzed in terms of damage initiation into the composite, represented by cohesive surfaces in the numerical tool, in order to complete the understanding of its mechanical behavior

Les polymères intrinsèquement conducteurs (PIC) sont une catégorie de matériaux qui connaissent actuellement un important essor. Cependant, leur principal inconvénient est leur insolubilité dans les solvants usuels. C’est pour cela que de nombreuses études les associent avec des matrices polymère pour former des composites. Lors de cette étude, nous avons synthétisé des copolymères à blocs conducteurs dont la structure chimique est contrôlée. Ces copolymères sont composés d’un bloc "matrice" et d’un second bloc conducteur. La première partie, polystyrène ou polyacrylate, est synthétisée par polymérisation radicalaire contrôlée (ATRP) afin de maîtriser les masses molaires (entre 5 000 et 15 000 g/mol) et la polymolécularité (Ip). La partie conductrice est un oligomère d’aniline. Puis, les deux blocs sont couplés pour former un copolymère dibloc. Cette synthèse est réalisée par voie conventionnelle (chauffage bain d’huile) et sous irradiation micro-onde. Une autre architecture de copolymère est réalisée, il s’agit du greffage de polyaniline sur un polymère naturel, le chitosane. En effet, celui-ci apporte des propriétés filmogène, mais également la possibilité de réaliser des hydrogels par réticulation du copolymère greffé. Ainsi un réseau dans lequel la PANI est répartie de façon homogène est obtenu<br>Intrinsically conducting polymers (ICPs) are a recent category of materials which currently make strong great strides. However, their main inconvenience is their insolubility in the usual solvents. That’s why lots of studies associate them with polymer matrices to make composites. During this study, conductive blocks copolymers with controlled architecture were obtained. These copolymers consist of a "matrix" block and a second conductive block. The first part, polystyrene or polyacrylate, is synthesized by controlled radical polymerization (ATRP) to control the molecular weight (between 5 000 and 15 000 g / mol) and the polydispersity (Ip). The conductive part is an oligomer of aniline. Then, both blocks are coupled to obtain a diblock copolymer. This synthesis is realized by conventional heating (bath of oil) and under microwave irradiation. Other architecture of copolymer is realized, it consists on the graft of polyaniline onto a natural polymer, the chitosane which brings coating properties, and the possibility of realizing hydrogels by crosslinking of grafting copolymer. So a network in which the PANI is distributed in a homogeneously is obtained