Academic literature on the topic 'Matériaux hybrides – Contraintes (mécanique) – Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)'

L’utilisation des matériaux composites est en plein essor depuis quelques années, notamment dans le secteur aéronautique. C’est dans le cadre d’un partenariat avec Eurocopter que s’inscrivent ces travaux de thèse visant à analyser expérimentalement et à modéliser le comportement jusqu’à rupture de structures composites stratifiées sous chargements statique et de fatigue. Pour décrire le comportement mécanique des matériaux composites, plusieurs mécanismes de dégradation sont à considérer. Un modèle, basé sur la Mécanique de l’Endommagement, a récemment été développé au LMA. Il traduit les effets des endommagements transverse et de cisaillement, se caractérisant par la formation de petites fissures évoluant le long des fibres. Ce modèle a été intégré dans le code de calcul Abaqus/Standard afin d’étudier le comportement de structures stratifiées soumises à un chargement statique ou de fatigue. Les comparaisons essais / simulation ayant mis en évidence le fait que les critères de rupture classiques ne fonctionnent pas si le champ de déformation n’est pas homogène, une approche non locale a été développé. Basée sur un Volume Caractéristique de Rupture, elle permet de prendre en compte l’effet des concentrations de contraintes pour décrire la rupture de structures stratifiées. Une confrontation expérimentale a permis de valider le modèle de comportement associé à l’approche non locale pour divers matériaux, stratifiés et géométries pour des cas de chargements statiques. L’application aux cas de chargements de fatigue est encore à l’étude. Toutefois, les premières comparaisons entre les résultats de simulations et les essais sont encourageants
Recent developments in the aeronautics industry have accelerated interest in the use of composites as primary structural materials. This project is based on a collaboration with Eurocopter. The objectives are to experimentally analyse and model the behaviour until failure of laminated composite structures under static and fatigue loadings. To describe the mechanical behaviour of composite materials, several damage mechanisms have to be considered. A model, based on the Continuum Damage Mechanics and recently developed at the LMA, takes into account the effects of transverse and shear damages characterized by the creation of small cracks which run along the fibres. This model was integrated into Abaqus/Standard in order to study the behaviour of laminated structures under static and fatigue loadings. The comparisons between experimental data and numerical simulations have proved that conventional failure criteria do not work if the strain field is inhomogeneous. A non local approach, based on the definition of a Fracture Characteristic Volume, has been developed. This method takes into account the effects of stress concentrations on the failure of laminated structures. Comparisons with experimental data allows to valid thebehaviour model associated to the non local approach for various materials, laminates and geometries in the case of static loading conditions. The application in the case of fatigue loading is in progress and first results are promising

Ce travail de thèse a été réalisé dans un contexte de valorisation des matériaux composites à base de nanocharges. La connaissance du comportement mécanique des nanocomposites dopés par des nanocharges soumis à des sollicitations dynamiques sévères est une donnée importante pour les concepteurs des structures composites dédiées aux applications civiles et militaires. Ce comportement doit être caractérisé dans un large domaine de déformation ; pour des vitesses de déformation pouvant atteindre 10⁵s⁻¹. Une attention particulière est portée au système des barres d’Hopkinson (SHPB) en raison de son utilisation fréquente dans une telle gamme de vitesses de déformation qui correspond à la gamme de vitesses de la plupart des applications industrielles. Dans ce contexte, nous avons mené dans un premier temps une étude centrée sur l’effet des nanocharges sur le comportement dynamique et la cinétique de l’endommagement d’un composite de référence à base de fibres de carbone noyées dans une matrice époxy. Nous avons opté pour le choix de deux types de nanocharges présentant une compositions chimiques pareilles (basé sur le carbone pur) mais deux géométries différentes (quasi-1D pour les nanotubes de carbone (NTC) et 2D pour les nanofeuillets de graphène (GNP)). On a préparé les deux séries de nanocomposites NTC et GNP dans les mêmes conditions tout en utilisant des fractions massiques communes (0.5%, 1% et 2%) pour pouvoir mener une étude comparative concernant les deux systèmes. Une campagne d’essais de compression dynamique, hors-plan (OP) et dans le plan (IP) et, ainsi qu’une étude numérique ont été menées. Il a été démontré que le comportement dynamique et la cinétique d’endommagement des matériaux sont très sensibles à la vitesse de déformation et à la direction de sollicitation. Les résultats de ces essais nous ont aussi permis d’appréhender l’influence de l’ajout des nanocharges sur la réponse des matériaux. Le pourcentage de 1% GNP montre des performances optimales en rigidité, contrainte maximale et résistance à l’endommagement. Toutefois, les nanocomposites peuvent être très sensibles aux conditions environnementales, en particulier au vieillissement hygrothermique qui peut réduire leurs performances mécaniques. De ce fait, l’effet du vieillissement hygrothermique (60°C/80% HR) sur la durée de vie des nanocomposites est alors étudié expérimentalement (chargement dans le plan). Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps (15, 40 et 100 jours) et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence pour chaque fraction massique. Cependant, il a été démontré que l’introduction de nanocharges, sauf dans le cas 0.5% NTC, entraine une dégradation plus importante du composite de référence
This thesis work was carried out in a context of valorization of composite materials based on nanofillers. The knowledge of the mechanical behavior of nanocomposites doped by nanofillers submitted to high dynamic loading is an important data for the designers of composite structures dedicated to civil and military applications. This behavior must be characterized in a wide range of deformation; for strain rates in the range of 10² to 10⁵s⁻¹. Particular attention is devoted to the Hopkinson pressure bar system (SHPB) because of its frequent use in such a wide range of deformation which corresponds to the strain rate deformation range of most industrial applications. In this context, we first conducted a study focused on the effect of nanofillers on the dynamic behavior and damage kinetics of a carbon/epoxy composite. We have chosen two types of nanofillers with similar chemical compositions (based on pure carbon) but two different geometries (quasi-1D for carbon nanotubes (CNT) and 2D for graphene nanoplatelets (GNP). The two series of nanocomposites CNT and GNP were prepared under the same conditions while using common mass fractions (0.5%, 1% and 2%) in order to conduct a comparative study of the two nanocomposite systems. A dynamic compression test (in-plane (IP) and out-of-plane (OP)) and a numerical study were conducted. It has been shown that the dynamic behavior and damage kinetics of the materials are very sensitive to the strain rate and the direction of solicitation. The results of these tests also allowed us to understand the influence of the addition of nanofillers on the response of the materials. The percentage of 1% GNP shows optimal performances in stiffness, maximum stress and resistance to damage. However, nanocomposites can be very sensitive to environmental conditions, in particular to hygrothermal aging that can reduce the mechanical performances. Therefore, the effect of hygrothermal aging (60°C/80%RH) on the lifetime of nanocomposites is studied experimentally (in-plane loading). Decreases of different mechanical properties as a function of time (15, 40 and 100 days) and absorbed water content are highlighted for each mass fraction. However, it was shown that the introduction of nanofillers, except in the case of 0.5% CNT, leads to a more significant degradation of the reference composite

Cette étude a pour but d'améliorer notre connaissance du comportement des matériaux composites sous contraintes complexes. Le travail porte, dans un premier temps, sur l'étude d'une machine capable de soumettre des lames parallélipipédiques en matériaux composites à des contraintes multiaxiales de type flexion-torsion. L'étude d'un outillage de flexion-torsion 3 points existant ayant révélé quelques insuffisances, on conçoit et réalise un outillage original permettant de faire des essais statiques ou de fatigue en flexion-torsion 4 points. Dans un deuxième temps, on présente les résultats d'essais obtenus sur deux types de matériaux, d'une part des composites unidirectionnels à fibre de verre longues et matrice époxy, d'autre part un composite à matrice thermoplaslltique PET et renfort de type mat de verre présentant une isotropie planaire. On montre, dans le premier cas des matériaux verre-époxy, que la rupture statique de ceux-ci est bien représentée par un critère de type TSAI-HILL et que les courbes isonombres de cycles à rupture en fatigue présentent une homothétie à ce critère. Dans le deuxième cas, c'est un critère de type VON MISES qui représente le mieux la rupture ce qui est, compte tenu de l'état de contrainte, parfaitement en accord avec l'isotropie planaire de notre matériau. Ce dernier résultat confirme la qualité des résultats obtenus grâce à notre nouvel outillage. Pour finir, on développe, dans le cas des unidirectionnels, un modèle de prévision de durée de vie en fatigue basé sur l'hypothèse d'un endommagement en flexion progressant dans l'épaisseur de l'éprouvette. On présente le résultat des simulations sous forme de courbes de Woehler. On cerne, avec l'aide de lois de cumul, les bases nécessaires à la construction d'un modèle d'endommagement.

La degradation d'un materiau fragile, soumis a une sollicitation mecanique croissante a pour origine l'apparition et le developpement de microfissures. Ce phenomene, dans un materiau poreux fragile, modifie la porosite et par consequent les differentes proprietes du materiau dont la permeabilite et les parametres de l'interaction fluide-squelette. Ainsi, l'objet de cette etude, essentiellement experimentale, est d'explorer l'effet de la microfissuration anisotrope induite sur les parametres de l'interaction fluide-squelette, notamment sur le coefficient des contraintes effectives de biot, dans le cas isotherme, sur un gres des vosges (de porosite 20%) dans lequel le mecanisme principal des deformations irreversibles est le developpement de microfissures. Un dispositif experimental a ete mis au point. A travers des essais de caracterisation de la microfissuration, nous avons montre l'anisotropie induite du comportement mecanique du materiau et le developpement de microfissures comme etant l'origine des deformations irreversibles et de la rupture. Ensuite, nous avons determine des parametres de couplage poroelastique du materiau a partir de differents chemins de compression hydrostatique a differents regimes de drainage. L'influence de l'endommagement induit sur le couplage poromecanique est etudiee par differents chemins triaxiaux deviatoriques egalement a differents regimes de drainage. On montre alors clairement l'anisotropie de l'interaction fluide-squelette due essentiellement a l'anisotropie induite du comportement mecanique du materiau. Enfin les differentes constantes poroelastiques du materiau dans son etat naturel (non endommage) sont determinees. En se basant sur l'hypothese d'une loi poroelastique incrementalement lineaire anisotrope, nous avons montre la variation des parametres de couplage et notamment l'anisotropie induite des composantes du tenseur des contraintes effectives de biot, due au developpement de microfissures orientees.

Le travail présenté traite de la fatigue multiaxiale. Il a pour but l'estimation de la durée de vie de structures industrielles soumises à tout type de chargement, du cas le plus simple, uniaxial et périodique, au cas le plus général et le plus complexe, multiaxial et à amplitude variable. La première partie présente une analyse, à partir d'une recherche bibliographique, des critères de fatigue multiaxiaux en contraintes. Elle regroupe 37 critères classés en trois familles : les critères empiriques, ceux de type plan critique et ceux d'approche globale. 24 critères ont été validés à l'aide d'une banque de données constituée de 233 essais de fatigue multiaxiaux tirés eux aussi de la littérature. La deuxième partie traite de la prise en compte de l'effet du gradient de contrainte dans les critères de fatigue multiaxiaux. Basée sur une proposition existante, l'introduction de l'effet du gradient dans les deux critères du LMSo est réalisée. Ces critères sont validés sur des essais multiaxiaux de flexion-torsion. Une méthode est proposée pour estimer le gradient de contrainte en tout point d'une structure complexe calculée par éléments finis dans le but de pouvoir appliquer ces critères avec gradient au cas des structures industrielles. La dernière partie concerne les évolutions et la validation de la méthode en contraintes d'estimation de durée de vie en fatigue multiaxiale d'amplitude variable proposée par le LMSo. Une première évolution de la méthode est établie. Elle est basée sur le principe du calcul et du cumul de dommage par plan physique. L'étude de l'influence de la variable de comptage, qui permet l'identification et l'extraction des cycles de contraintes de la séquence multiaxiale, aboutit à une seconde évolution, qui permet de s'affranchir du problème du choix de la variable de comptage. Elle réalise, plan par plan, le comptage des cycles, le calcul puis le cumul du dommage. Ces évolutions nécessitent d'utiliser un critère de type plan critique. L'ensemble des travaux est réuni et intégré sous la forme d'un logiciel industriel, Sollife, qui permet de modéliser le comportement en fatigue de structures complexes. Deux exemples industriels valident le logiciel. Les résultats obtenus sont encourageants. Ils montrent l'importance des effets de mise en forme et ouvrent de nombreuses perspectives
The work of thesis deals with multiaxial fatigue. Its purpose is the fatigue life assessment of industrial structures submitted to any kind of solicitations, from the most basic case, which is uniaxial and periodical, to the most general one, which is multiaxial and of variable amplitude. The first part is dedicated to the study of multiaxial fatigue stress-based criteria. 37 criteria issued from the literature are analysed. They are divided into empirical, critical plane and global approaches. 24 criteria are validated through 233 multiaxial fatigue tests issued also from the literature. The second part aims at taking into account the stress gradient effect within the multiaxial criteria formulation. Similarly to some recent work, the stress gradient effect is introduced within the Laboratory's criteria. These propositions are validated through combined bending-torsion tests. A proposition is made to calculate the stress gradient field from finite elements results obtained over any complex industrial structure. The third part describes the evolution of the Laboratory's fatigue life prediction method under multiaxial random loading. The first step presents a plane per plane damage accumulation. The fatigue damage is calculated and cumulated on physical planes. The second step shows the influence of the so-called counting variable on the fatigue life prediction results, and leads to a new concept: the cycle counting and the damage assessment are performed plane per plane. This procedure avoids the dependence of the choice of the counting on the life assessments. A critical plane approach criterion is required for these latter methods. This work is integrated to an industrial software called Sollife allows one to simulate the fatigue behaviour of any complex structure. The first results are in good assessment with experiments. They show the important effect of metal forming process (as stamping) and result in lots of perspectives

L'objectif de ce travail est d'apporter une aide à la décision quant au choix d'un matériau composite à renfort tissé hybride et non hybride pour une application où les effets du vieillissement conditionnent la décision. Cet objectif nécessite à la fois une approche expérimentale et théorique. L'approche expérimentale est menée, à partir d'essais standards (traction, flexion et torsion), par une caractérisation des propriétés élastiques et ultimes de chaque constituant (résine et unidirectionnel) et de chaque composite à renfort tissé. L'identification des mécanismes d'endommagement est ensuite obtenue sur la base des essais précédents puis d'essais de délaminage (mode I, II et mixte (I+II)) par l'utilisation d'une méthodologie associant les techniques d'émissions acoustiques et de microscopie. L'analyse met en évidence l'influence du vieillissement des résines, des fibres et des interfaces sur les modes de rupture du composite pouvant ainsi être très différents avant et après vieillissement. La seconde partie est consacrée à la modélisation du comportement mécanique des composites à armure hybride ou non dans les domaines élastiques et jusqu'à rupture. A partir d'une décomposition de la cellule de base, l'application de la théorie du stratifié permet de déterminer les propriétés élastiques 3D du composite en fonction des constituants, de l'armure, du titre des mèches et des caractéristiques géométriques puis de prédire les ruptures locales et finales du composite après prise en compte des endommagements successifs des constituants (résine et mèches). Le modèle aboutit à un logiciel de calcul nommé Mesotex permettant d'analyser aisément l'influence des paramètres structuraux (titre des mèches, armure, quantité de résine et hybridation) sur les propriétés élastiques et à rupture du composite. L'étude paramétrique conduit à faciliter le choix d'un matériau et d'atteindre un compromis coût/masse/performance optimisé.

Cette thèse porte sur la modélisation du comportement élastique endommageable de matériaux composites à renfort 3D. L'étude s'articule autour de 3 points essentiels: la compréhension du processus d'endommagement, la modélisation analytique et l'étude d'optimisation des architectures des renforts. Les architectures carbones étudiées sont issues d'un tissage orthogonal 3D et de 5 tissages interlock. Ils sont soumis respectivement à une sollicitation de compression et de traction uniaxiale. La corrélation des signaux d'EA aux observations microscopiques permet de faire ressortir l'effet de l'architecture sur les phénomènes d'endommagements. Le comportement élastique endommageable jusqu'à la rupture est décrit à partir d'une dualité entre un modèle analytique d'homogénéisation et le critère 3D de Tsai-Wu, couplé à des critères d'endommagement. Ce modèle prend en compte la particularité géométrique des architectures des renforts. La partie optimisation est dédiée à la minimisation des VER
This thesis is dedicated to the modelling of the elastic damage behaviour composite material 3D reinforced. The study is articulated around three essential points: the comprehension of the damage process, analytical modelling and the optimization of architectures of the reinforcements. The studies of carbon architectures are resulting from an orthogonal weaving 3D and 5 Interlock. They are subjected respectively to compression and uniaxial tension tests. The correlation between signals of acoustic emission and the microscopic observations makes it possible to emphasize the effect of architecture on the phenomena of damages. The elastic damage behaviour until the rupture is described with a duality between an analytical model of homogenization and the criterion 3D of Tsai-Wu, coupled to damage criteria. This model takes into account the geometrical characteristic of architectures of the reinforcements. The optimization part is dedicated to minimization of the REV

La présence de gradient de contraintes dans un alliage métallique influence le critère d’endurance de Dang Van le caractérisant. Pour s’en affranchir, il est possible de déterminer une épaisseur de couche critique, sur laquelle le critère est intrinsèque au matériau. Cette étude s’intéresse à l’influence du mode de déformation plastique sur la couche critique. A cet effet, un superalliage à base nickel est étudié sous deux états de précipitation, caractérisés par des localisations de déformation différentes. Dans les deux cas, le critère de Dang Van est déterminé par des essais mécaniques sur éprouvettes lisses et entaillées, associés à des calculs par éléments finis. Ce critère dépend de la valeur du coefficient de concentration de contrainte Kt et de l’état de précipitation du matériau. De plus, le type de calcul par éléments finis réalisé influence la profondeur de couche critique. Le comportement singulier de l’alliage sous-vieilli, présentant une déformation plastique localisée, est ainsi mis en évidence. Une attention spéciale est donc portée à l’endommagement en fatigue oligocyclique dans cet état. Les relations entre l’endommagement et l’orientation cristallographique des grains du polycristal sont examinées par EBSD. Les extrusions, sites d’amorçage préférentiels des fissures, sont étudiées par microscopie à force atomique, pour quantifier la déformation plastique irréversible locale accumulée en surface jusqu’à l’amorçage. Une loi de durée de vie à l’amorçage est proposée, exprimée uniquement en fonction de paramètres microscopiques. L’importance de rôle des contraintes internes en fatigue est mise en évidence, en relation avec le degré de réversibilité de la déformation plastique, variable selon l’état de précipitation. Un diagramme de Dang Van modifié est proposé pour palier les différences de comportement entre les deux états. L’hypothèse d’adaptation de la sollicitation s’avère également une condition sine qua non à la validité du critère de Dan Van.

L'objectif principal de ce travail est d'étudier la cinétique d'endommagement par multifissuration matricielle de stratifiés croisés [0m/90n]S, carbone/époxyde IM7/977-2 ou IMS/M21 utilisés dans l'industrie aéronautiques, à partir d'essais de traction sous chargement monotone et de fatigue, à plusieurs températures. L'évolution de la densité de fissures dans des stratifiés [0m/90n]S sous chargement monotone est étudiée expérimentalement puis décrite par un critère énergétique faisant intervenir l'énergie de rupture. Plusieurs expressions du taux de restitution d'énergie ont été comparés pour obtenir une bonne évaluation de l'énergie de rupture en fonction de la densité de fissures. L'influence du délaminage et de la température sur les courbes de fissuration a aussi été considérée. Pour le composite IM7/977-2, l'influence de la température est décrite au moyen du principe de superposition temps-température, en cherchant à construire des courbes maîtresses d'iso-endommagement. Un passage de l'étude de la fissuration sous chargement monotone à l'étude de la fissuration progressive sous chargement de fatigue a été étudié. Une étude expérimentale et une simulation de l'évolution de la densité de fissures transverses en fonction du nombre de cycles sont présentées. Dans le critère de fissuration, une loi de dégradation de l'énergie de rupture en fatigue du matériau qui repose sur une génération de l'hypothèse simple de Vinogradov concernant la forme des courbes S-N de première fissuration et qui prend en compte l'effet de courbe «R» a été utilisée
The main objective of this study is to investigate the transverse cracking kinetics in [0m/90n]S cross-ply laminates made of IM7/977-2 or IMS/M21 composite systems, which are used in the aeronautic industry, from monotonic or cyclic tensile tests performed at several temperatures. An energetic cracking criterion is used. Several strain energy release rate expressions are compared, in order to obtain a realistic curve of fracture energy versus crack density. The influence of delamination and temperature on the cracking curves (crack density versus applied stress) is also considered. For the IM7/977-2 composite sysstem, the temperature effect can be accounted for using the time-temperature superposition principle, by constructing master curves of equal damage. A transition from monotonic cracking to fatigue cracking is investigated. Experimental results and simulations of transverse crack growth during fatigue tests are presented. The cracking criterion uses a fracture energy expression stemming from an extension of Vinogradov’s model which relies upon a simple assumption regarding the shape of first cracking S-N curves, and takes into account the R-curve effect