Дисертації з теми "Composites organiques tissés 3D"

Le domaine du génie aéronautique a connu des avancées considérables au cours des dernières décennies en science des matériaux. Les composites organiques tissés en trois dimensions à matrice de carbone (3DOMC) sont de plus en plus utilisés comme éléments de parties structurelles proches des moteurs d'avions et dans les pales de ventilateur de moteurs aéronautiques Ces matériaux sont donc sollicités pour fonctionner dans des gammes de haute performance, soumis à des sollicitations mécaniques multi-axiales à différentes températures et exposés à des cycles thermiques chaud/froid. Bien qu'il existe une littérature substantielle sur les effets de telles sollicitations sur le comportement à la fracture et les mécanismes d'endommagement ultime des 3DOMC, les études sur les mécanismes de l’amorçage de l’endommagement sont limitées. Cette lacune est particulièrement critique puisque l’amorçage de l’endommagement dicte l'usabilité de ces composants ; du point de vue opérationnel, aucun dommage n'est permis en service dans ces parties. Ce travail vise à développer une nouvelle méthodologie expérimentale pour caractériser le début de l’endommagement dans les 3DOMC pour différentes sollicitations multi-axiales rencontrées en service. Pour ce faire, un test in situ a été conçu couplant la Micro-Tomographie (μ-CT) et l'Émission Acoustique (AE), identifiant avec succès l'initiation de l’endommagement multi-axial lors d'un test de traction et de flexion-compression excentrique (ECB) sur des échantillons en axe et hors axe. L'effet de la température a été abordé via un test in situ mettant en œuvre la nouvelle méthodologie développée à haute température (120ºC) et basse température (-30ºC) ; il a été constaté que les mécanismes d'initiation de dommage dépendent fortement de la température. L'effet du cyclage thermique entre 120ºC et -55ºC sur le début du dommage a été caractérisé par AE et ex situ (μ-CT). De plus, la propagation du dommage jusqu'à 1000 cycles a été caractérisée en détail dans la méso-structure tissée en 3D. Enfin, la dégradation par cyclage thermique et le vieillissement sur le début du dommage sont étudiés dans un test de traction in situ statique
The field of aeronautical engineering has seen considerable advancements over the past decades in materials science. Carbon fibre Three-Dimensional Woven Organic Matrix composites (3DOMC) are increasingly used as elements of structural parts close to aircraft engines and in aero-engine fan blades. These materials are therefore requested to operate in high-performance ranges subjected to multi-axial mechanical solicitations at different temperatures and exposed to cold/hot thermal cycling. Although there is substantial literature on the effects of such solicitations on the fracture behavior and ultimate damage mechanisms of 3DOMC, there is a limited study on the initial damage mechanisms. This gap is particularly critical since the onset of damage dictates the usability of such components; from operational standpoint, no damage is permissible in service in these parts. This work aims to develop a novel experimental methodology to characterize the onset of damage in 3DOMC for different multi-axial solicitations encountered in-service.To achieve this, an in situ test has been designed coupling μ-Computed Tomography (μ-CT) and Acoustic Emission (AE), successfully identifying multi-axial damage initiation during tensile test and Eccentric Compression Bending (ECB) in in-axis and off-axis specimens. The effect of temperature has been addressed via in situ test implementing the new developed methodology test at high (120ºC) and low (-30ºC) temperature; it has been found damage initiation mechanisms are strongly dependent on temperature.The effect of thermal cycling between 120ºC and -55ºC on damage onset has been characterized by AE and ex situ (μ-CT). Further, damage propagation up to 1000 cycles has been characterized in detail in the 3D woven meso-structure. Finally, thermal cycling degradation and ageing on damage onset is investigated in static in situ tensile test

La caractérisation multi-échelle des préformes textiles en fibres naturelles est un moyen indispensable pour comprendre et évaluer les propriétés mécaniques et le comportement du composite. Dans cette étude, une caractérisation expérimentale multi-échelle est réalisée sur des tissus 3D interlock chaine en fibre de lin à l'échelle des fibres (micro), des mèches (méso), des tissus et des matériaux composites (macro). Les propriétés mécaniques en traction de la fibre de lin ont été déterminées en utilisant la méthodologie de l'IFBT. L'effet de la torsion a également été pris en compte dans le calcul de la rigidité de la fibre et a révélé les limites de la loi des mélanges et d'autres modèles. Des essais de traction sur des mèches sèches ont été effectués en considérant différents niveaux de torsion afin de déterminer le niveau de torsion optimal pour tisser 3D la mèche de lin. Les résultats révèlent l'importance de considérer les propriétés de la fibre et des mèches à ces échelles pour déterminer la matière première la plus adéquate pour le tissage. A l'échelle du tissu, dix sept tissus 3D interlocks chaines ont été réalisés pour comprendre l’influence des paramètres produits sur les paramètres textiles et sur le comportement mécanique. La caractérisation des structures tissées 3D interlock chaine montre le rôle prépondérant des mèches sur les propriétés structurelles et mécaniques. A l'échelle macroscopique suivante, les six structures résinées ont permis d'établir des relations entre les structures de renfort et les matériaux composites associés. Couplé à l'ensemble de ces études, une approche statistique a permis d'apporter une vision globale des paramètres produits qui influent sur les tissus 3D interlock chaine et les matériaux composites associés
The multi-scale characterisation of textile preforms made with natural fibres is a necessary method to understand and analyse the mechanical properties and behaviour of the composite. In this study, a multi-scale experimental characterisation is carried out on 3D warp interlock fabrics made with flax fibres at the fibre (micro), yarns (meso), fabric and composites (macro) scales. The mechanical tensile properties of the flax fibre were determined using the IFBT methodology. The twist effect was also taken into account in the calculation of fibre stiffness and revealed the limits of the rules of mixtures and some other models. Tensile tests on dry rovings were carried out considering different levels of twist, in order to determine the optimal twist level suited for 3D weaving process. The results reveal the importance of considering the properties of the fibre and the yarn at these scales to determine the most suitable material for weaving. At the fabric scale, seventeen 3D warp interlock fabrics were produced to understand the influence of product parameters on textile parameters and mechanical behaviour. The characterisation of 3D warp interlock woven structures shows the predominant role of yarns on structural and mechanical properties. On the following macroscopic scale, the six impregnated structures have enabled relationships to be established between the reinforcing structures and the associated composite materials. Coupled with these studies, a statistical approach provided a global vision of the product parameters that influence the 3D interlock warp interlock fabrics and the associated composite materials

L’enjeu de ces travaux de thèse est de proposer des outils à destination du bureau d’études Safran, pour le dimensionnement de chapes réalisées en matériau composite tissé 3D à matrice organique. L’arrachement du nez de chape par cisaillement, qui est le mode de ruine prédominant sur les chapes composites tissées 3D de par leur géométrie et l’absence de renfort à 45°, est particulièrement investigué. Une caractérisation expérimentale de ce mode de ruine est menée, mettant en évidence une rupture par fissurations matricielles le long des bandes de cisaillement. Le modèle ODM-CMO, déjà validé pour les modes de matage et de rupture en traction nette, est ici enrichi afin de bien décrire le scénario d’endommagement. Plus précisément, la loi d’évolution de l’endommagement matriciel est modifiée pour des niveaux de cisaillement élevés. Le modèle est validé au travers de comparaisons avec les résultats d’essais disponibles sur chapes.Par la suite, une solution innovante de chape basée sur le ceinturage de la pièce est examinée. L’objectif de cette solution de chape est d’orienter les renforts afin de s’affranchir du mode de ruine par cisaillement qui intervient prématurément. Ce concept induit des états de contraintes tridimensionnels complexes, faisant en particulier intervenir les composantes hors-plan du tenseur des contraintes. Les paramètres matériau hors-plan étant difficiles à identifier, une méthode d’identification par mesure de champs est proposée, implémentée, et appliquée au matériau d’intérêt à partir d’essais élémentaires. Un essai technologique multi-instrumenté original permettant de solliciter la ceinture en traction est proposé sur la base de simulations. Trois essais ont été réalisés. Conformément aux prévisions du modèle, les ceintures ont rompu en traction nette, témoignant ainsi d’une augmentation de performance vis-à-vis de la chape monolithique tissée étudiée en première partie
The challenge of this work is to offer tools to the Safran design office for the sizing of lugs made of organic matrix 3D woven composite material. Shear failure is the predominant failure mode on 3D woven composite lugs due to their geometry and the lack of 45° reinforcements. Thus, in this work, special attention is paid to this failure mode. An experimental characterization of the shear failure is carried out, showing matrix cracks along the shear strips. The ODM-CMO model, already validated for bearing and net tensile failure modes, is here enriched to properly describe the shear failure damage scenario. More precisely, the matrix damage evolution law is modified for high shear levels. The model is validated through comparisons with test results available on lugs.Subsequently, an innovative solution of lug is examined, based on the belting of the part. The objective of this design of lug is to provide reinforcements to avoid the shear failure mode that occurs prematurely. This concept induces complex three-dimensional stress states, and particularly off-plane components of the stress tensor. As off-plane material parameters are difficult to identify, an identification method based on full-field measurement is proposed, implemented and applied to the material of interest using elementary tests. An original technological set-up to test the belt in tension with appropriate instrumentation is proposed on the basis of simulations. Three tests have been performed. The belts failed in net tension, reflecting an increase in performance over the monolithic 3D woven composite lug studied in first part

Ces travaux s’attachent à décrire et quantifier les mécanismes de ruptures des compositestissés 3D sous chargement de traction quasi-statique et à mettre en place une méthode de simulationnumérique adaptée et robuste, pouvant à terme être appliquée en bureau d’études.Dans cette optique, une étude expérimentale a été menée afin de quantifier la propagation defissures dans ces matériaux. Celle-ci a permis de mettre en place un scenario de rupture, entirant parti de la multi-instrumentation des essais. L’étude a également été effectuée sur deséprouvettes de géométries et de tailles variées et a mis en évidence d’importantes variations dutaux de restitution d’énergie avec les conditions d’essai. Un formalisme d’analyse et de modélisationintroduisant des longueurs internes a ensuite été présenté et adapté aux mécanismes derupture des composites tissés 3D. Ce formalisme est étayé par la recherche des mécanismes àl’aide de l’analyse des faciès de rupture. Les longueurs introduites ont ainsi été mises en relationavec les paramètres du tissage. Une méthode d’identification des paramètres a été proposée etles conséquences de ce comportement sur le dimensionnement de pièces composites discutées.Enfin, le transfert de ces résultats a été effectué vers des simulations numériques robustes. Desméthodes de régularisation des modèles d’endommagement continu ont été présentées et évaluéesà l’aune de leur capacité à assurer, d’une part, la robustesse des résultats et, d’autre part,la bonne retranscription des effets d’échelle expérimentaux. La prise en compte de ces considérationsnumériques et physiques nous a amené à proposé un modèle d’endommagement Non-Local.Une méthode d’identification des paramètres et de la longueur interne à partir des données expérimentalesa été proposée
This work aims to describe and quantify the failure mechanisms of 3D woven composites underquasi-static tensile loading and to implement an adapted and robust numerical simulationmethod, that can be applied in industry. To this end, an experimental study was carried out toquantify the propagation of cracks in these materials. Thus, a crack propagation scenario wasestablished, thanks to the multi-instrumentation used during the tests. The experimental campaignwas carried out on specimens of various geometries and sizes and highlighted significantvariations in the fracture toughness with the test conditions. A modelisation framework introducinginternal lengths was then presented and adapted to 3D woven composites. This frameworkis supported by the identification of the failure mechanisms subsequent to the analysis of thecrack profile. The introduced lengths were thus related to the weaving parameters. A method foridentifying the parameters was proposed and the consequences of this behaviour on the designof the composite parts discussed. Finally, these results were transferred to robust numerical simulations.Regularisation methods of continuous damage models were presented and evaluatedin terms of their ability to ensure, on the one hand, the robustness of the results and, on theother hand, the correct transcription of experimental size effects. Taking into account these numericaland physical considerations led us to propose a Non-Local damage model. A method foridentifying the parameters and the internal length on experimental data was proposed

Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation thermomécanique et le dimensionnement en fatigue d’un composite tissé 3D qui est fabriqué par le groupe Safran à des fins de recherche. La caractérisation expérimentale repose principalement sur des analyses des mesures infrarouges. Les protocoles expérimentaux, utilisés pour la génération des bases de données expérimentales, se basent sur le protocole d’auto-échauffement, qui cherche à relier les variations de température mesurées sous chargements cycliques aux différentes sources thermiques. Pour exploiter au mieux les données expérimentales obtenues, plusieurs outils de post-traitement, permettant de mettre en évidence les mécanismes caractéristiques aux composites tissés, ont été mis en place (détection des événements thermiques, génération des cartographies des amplitudes à 2×f, . . .). Cette caractérisation expérimentale est complétée par des comparaisons issues d’un dialogue essai/calculs. Ce dernier représente une complémentarité aux mesures expérimentales, notamment, parce qu’il permet d’identifier les mécanismes dissipatifs activés sous chargements cycliques relativement faibles. En s’appuyant sur la description des mécanismes dissipatifs, une méthode de caractérisation rapide en fatigue, qui cherche à identifier un critère de dimensionnement à partir des résultats des essais de traction et d’auto-échauffement, a été proposée
This work focuses on the thermomecanical characterisation and design against fatigue of a woven composite that is produced for research purposes by the Safran Group. The experimental characterisation is based mainly on the analyses of infrared measurements. The experimental protocols, used for generating the experimental database, are based on the heat build-up protocol, which seeks to relate the temperature variations measured under cyclic loadings to different heat sources. In order to fully exploit the experimental data, different postprocessing tools that enable to highlight mechanisms characteristic to woven composites were developed (thermal event detection, frequency analyses, ...). This experimental characterisation is then complemented by results coming from simulation/experiment comparisons. The latter enable to identify dissipative mechanisms activated under relatively low cyclic loadings. Furthermore, this dissipative mechanism description was used to introduce a rapid fatigue characterisation method that identifies an S-N curve model based on the results of tensile tests and heat build-up experiments

Les matériaux composites à renforts tissés 3D connaissent une utilisation grandissante dans de nombreux domaines de par entre autres leurs excellentes propriétés mécaniques. Cependant, le manque de compréhension de leur comportement est un facteur limitant. Ces limites sont liées à la complexité des phénomènes intervenant à différentes échelles qui jouent un rôle essentiel sur la prédiction de la réponse du matériau. Pour comprendre et résoudre ce problème, ce travail a pour objectifs d’étudier les matériaux composites 3D à l’aide de simulations numériques et d’observations expérimentales réalisées aux échelles micro, méso et macro. L’étude expérimentale a été réalisée afin d’obtenir : les propriétés macroscopiques du matériau et les paramètres nécessaires à la reconstruction géométrique. Ces caractéristiques ont été évaluées à l’aide de diverses techniques : microscopies optique et électronique et tomographie par rayons X sur des éprouvettes avant et après essais mécaniques afin de détecter les éventuels endommagements. Ces observations ont permis de définir les stratégies numériques à mettre en place aux différentes échelles. Ainsi, à l’échelle microscopique, un algorithme de dynamique moléculaire a été développé et testé sur des volumes représentatifs élémentaires et sur des sections de fils. Les résultats obtenus montrent une grande capacité à générer la variabilité microstructurale. A l’échelle mésoscopique, une stratégie de reconstruction à partir d’images tomographiques a permis de prendre en compte l’architecture réelle du composite 3D. Cette technique de modélisation a montré son grand intérêt dans la prédiction de la réponse non linéaire du matériau
3D textile reinforced composites have gained extensive application in many industrial domains by taking their excellent mechanical properties and neat-shape manufacturing. However, lack of understanding in material behaviour might be limiting factors at the design stage. One of these limits is the complexity of the multi-scale phenomena which play a critical role in predicting the material response. In order to tackle this problem, the systematic and detailed investigations are required at different material scales. Therefore, this work addresses to study 3D composites alternating and combining numerical simulations and experimental observations at different material scales. Experiments were carried out to provide twofold parameters: material properties and required geometrical reconstruction parameters. X-ray tomography was employed to inspect the intact samples. Electronic and optical microscopy techniques have been used in order to investigate in details the yarn cross-sections at initial states and eventual damages mechanisms accumulated during mechanical tests. All those observations allowed choosing numerical strategies at different material scales. Thus, at the micro-scale, the modified molecular dynamics algorithm has been developed and tested on RVE and irregular cross-section yarns. The results show great capacity and originality in the generation of the microstructural variability. Consequently, at the meso-scale, the reconstruction strategy was chosen which allowed representing real mesostructure of the composites. This modelling technique has great importance in the prediction of the material response, especially at the non-linear stage

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
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
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
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
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

De nos jours, l’intégration de pièces composites dans les produits intéresse de plus en plus les industriels, particulièrement dans le domaine des transports. En effet, ces matériaux présentent de nombreux avantages, notamment celui de permettre une diminution de la masse des pièces lorsqu’ils sont correctement exploités. Pour concevoir ces pièces, plusieurs procédés peuvent être utilisés, parmi lesquels le RTM (Resin Transfer Molding) qui consiste en la mise en forme d’un renfort sec (préformage) avant une étape d’injection de résine. Cette étude concerne la première étape du procédé RTM, celle de préformage. L’objectif est de mettre en œuvre une stratégie efficace conduisant à la simulation par éléments finis de la mise en forme des renforts à l’échelle mésoscopique. A cette échelle, le renfort fibreux est modélisé par un enchevêtrement de mèches supposées homogènes. Plusieurs étapes sont alors nécessaires et donc étudiées ici pour atteindre cet objectif. La première consiste à créer un modèle géométrique 3D le plus réaliste possible des cellules élémentaires des renforts considérés. Elle est réalisée grâce à la mise en œuvre d’une stratégie itérative basée sur deux propriétés. D’une part, la cohérence, qui permet d’assurer une bonne description du contact entre les mèches, c'est-à-dire, que le modèle ne contient ni vides ni interpénétrations au niveau de la zone de contact. D’autre part, la variation de la forme des sections de la mèche le long de sa trajectoire qui permet de coller au mieux à la géométrie évolutive des mèches dans le renfort. Grâce à ce modèle et à une définition libre par l’utilisateur de l’architecture tissée, un modèle représentatif de tout type de renfort (2D, interlock) peut être obtenu. La seconde étape consiste à créer un maillage hexaédrique 3D cohérant de ces cellules élémentaires. Basé sur la géométrie obtenue à la première étape. L’outil de maillage créé permet de mailler automatiquement tout type de mèche, quelle que soit sa trajectoire et la forme de ses sections. La troisième étape à franchir consiste, à partir du comportement mécanique du matériau constitutif des fibres et de la structure de la mèche, à mettre en place une loi de comportement du matériau homogène équivalent à un matériau fibreux. Basé sur les récents développements expérimentaux et numériques en matière de loi de comportement de structures fibreuses, un nouveau modèle de comportement est présenté et implémenté. Enfin, une étude des différents paramètres intervenant dans les calculs en dynamique explicite est réalisée. Ces deux derniers points permettent à la fois de faire converger rapidement les calculs et de se rapprocher de la réalité de la déformation des renforts. L’ensemble de la chaîne de modélisation/simulation des renforts fibreux à l’échelle mésoscopique ainsi créée est validée par comparaison d’essais numériques et expérimentaux de renforts sous sollicitations simples
Nowadays, manufacturers, especially in transport, are increasingly interested in integrating composite parts into their products. These materials have, indeed, many benefits, among which allowing parts mass reduction when properly operated. In order to manufacture these parts, several methods can be used, including the RTM (Resin Transfer Molding) process which consists in forming a dry reinforcement (preform) before a resin being injected. This study deals with the first stage of the RTM process, which is the preforming step. It aims to implement an efficient strategy leading to the finite element simulation of fibrous reinforcements at mesoscopic scale. At this scale, the fibrous reinforcement is modeled by an interlacement of yarns assumed to be homogeneous and continuous. Several steps are then necessary and therefore considered here to achieve this goal. The first consists in creating a 3D geometrical model of unit cells as realistic as possible. It is achieved through the implementation of an iterative strategy based on two main properties. On the one hand, consistency, which ensures a good description of the contact between the yarns, that is to say, the model does not contain spurious spaces or interpenetrations at the contact area. On the other hand, the variation of the yarn section shape along its trajectory that enables to stick as much as possible to the evolutive shape of the yarn inside the reinforcement. Using this tool and a woven architecture freely implementable by the user, a model representative of any type of reinforcement (2D, interlock) can be obtained. The second step consists in creating a 3D consistent hexahedral mesh of these unit cells. Based on the geometrical model obtained in the first step, the meshing tool enables to mesh any type of yarn, whatever its trajectory or section shape. The third step consists in establishing a constitutive equation of the homogeneous material equivalent to a fibrous material from the mechanical behavior of the constituent material of fibers and the structure of the yarn. Based on recent experimental and numerical developments in the mechanical behavior of fibrous structures, a new constitutive law is presented and implemented. Finally, a study of the different parameters involved in the dynamic/explicit scheme is performed. These last two points allow both to a quick convergence of the calculations and approach the reality of the deformation of reinforcements. The entire chain modeling/simulation of fibrous reinforcements at mesoscopic scale created is validated by numerical and experimental comparison tests of reinforcements under simple loadings

De nos jours, l'intégration de pièces composites dans les produits intéresse de plus en plus les industriels, particulièrement dans le domaine des transports. En effet, ces matériaux présentent de nombreux avantages, notamment celui de permettre une diminution de la masse des pièces lorsqu'ils sont correctement exploités. Pour concevoir ces pièces, plusieurs procédés peuvent être utilisés, parmi lesquels le RTM (Resin Transfer Molding) qui consiste en la mise en forme d'un renfort sec (préformage) avant une étape d'injection de résine. Cette étude concerne la première étape du procédé RTM, celle de préformage. L'objectif est de mettre en œuvre une stratégie efficace conduisant à la simulation par éléments finis de la mise en forme des renforts à l'échelle mésoscopique. A cette échelle, le renfort fibreux est modélisé par un enchevêtrement de mèches supposées homogènes. Plusieurs étapes sont alors nécessaires et donc étudiées ici pour atteindre cet objectif. La première consiste à créer un modèle géométrique 3D le plus réaliste possible des cellules élémentaires des renforts considérés. Elle est réalisée grâce à la mise en œuvre d'une stratégie itérative basée sur deux propriétés. D'une part, la cohérence, qui permet d'assurer une bonne description du contact entre les mèches, c'est-à-dire, que le modèle ne contient ni vides ni interpénétrations au niveau de la zone de contact. D'autre part, la variation de la forme des sections de la mèche le long de sa trajectoire qui permet de coller au mieux à la géométrie évolutive des mèches dans le renfort. Grâce à ce modèle et à une définition libre par l'utilisateur de l'architecture tissée, un modèle représentatif de tout type de renfort (2D, interlock) peut être obtenu. La seconde étape consiste à créer un maillage hexaédrique 3D cohérant de ces cellules élémentaires. Basé sur la géométrie obtenue à la première étape. L'outil de maillage créé permet de mailler automatiquement tout type de mèche, quelle que soit sa trajectoire et la forme de ses sections. La troisième étape à franchir consiste, à partir du comportement mécanique du matériau constitutif des fibres et de la structure de la mèche, à mettre en place une loi de comportement du matériau homogène équivalent à un matériau fibreux. Basé sur les récents développements expérimentaux et numériques en matière de loi de comportement de structures fibreuses, un nouveau modèle de comportement est présenté et implémenté. Enfin, une étude des différents paramètres intervenant dans les calculs en dynamique explicite est réalisée. Ces deux derniers points permettent à la fois de faire converger rapidement les calculs et de se rapprocher de la réalité de la déformation des renforts. L'ensemble de la chaîne de modélisation/simulation des renforts fibreux à l'échelle mésoscopique ainsi créée est validée par comparaison d'essais numériques et expérimentaux de renforts sous sollicitations simples.

Les travaux présentés dans ce document s’insère dans le cadre du Projet de Recherche Concerté PRC Composites, financé par la DGAC et impliquant le groupe Safran, l’Onera et un grand nombre de laboratoires du CNRS de le LMT Cachan. Un des objectifs principal du PRC est d’établir des modèles pour la simulation du comportement mécanique, de la durabilité et encore des procédés de fabrication des pièces composites CMC & CMO. Ces travaux de thèse se focalisent sur l’étude du comportement des composites tissés 3D aux sollicitations de fatigue mécanique. Ils font suite aux travaux menés à l’Onera sur un modèle d’endommagement en cycles pour la fatigue des composites CMO tissés 3D, nommé ODM-CMO. Nous proposons un modèle dit « temporel », nommé OD ̇M, qui détermine l’évolution de l’endommagement de façon continue, en fonction du temps. Ce modèle est alors capable d’une part de prendre en compte des chargements de fatigue cycliques, et d’autre part les chargements de fatigue complexes, aléatoires. La loi d’endommagement proposée fait intervenir deux contributions, une contribution monotone et une contribution de fatigue. La contribution monotone est totalement équivalente à la loi monotone du modèle initial ODM-CMO, les paramètres sont alors facilement identifiables. La contribution de fatigue n’est pas équivalente à la loi du modèle ODM-CMO, ceci s’explique notamment par le fait qu’il existe différentes façon de prendre en compte la notion de contrainte moyenne, notion primordiale concernant l’étude de la fatigue. Nous avons choisi de prendre en compte l’effet de contrainte moyenne en ajoutant le calcul d’une moyenne originale qui évolue au cours du chargement dans la contribution de fatigue de la loi d’endommagement. L’identification des paramètres de fatigue se déroule en deux étapes. La première étape se base sur une simplification du jeu d’équation du modèle (élasticité et endommagement non couplé) de façon à déterminer une relation simple, en 1D, entre le nombre de cycles à rupture et la contrainte maximale. Cette expression nous permet alors de tracer rapidement les diagrammes de Wöhler (σ_a ou σ_Max vs N_R) ainsi que les diagrammes de Haigh (σ_a vs σ ̅). Ces diagrammes nous permettent de faire une première identification des paramètres de la contribution de fatigue de la loi d’endommagement. La seconde étape consiste à recaler certains paramètres en utilisant le modèle complet, de façon numérique, le modèle ayant été programmé en 3D tant pour un pilotage en déformation que pour un pilotage en contrainte. La méthodologie proposée nécessite néanmoins d’avoir un nombre important de résultats d’essais de fatigue. Elle permet l’identification à d’autres températures dans le but de proposer des modélisations anisothermes. Le modèle d’endommagement est rendu probabiliste grâce à une première approche, pragmatique, en fatigue à grands nombres de cycles. Un paramètre du modèle initialement considéré comme déterministe, prend le statut de variable aléatoire, il s’agit du seuil d’endommagement de fatigue (en déformation) délimitant le domaine d’endurance illimitée. L’idée étant de pouvoir associer à une probabilité de rupture (ou de survie) à une limite de fatigue « asymptotique »
The work presented in this report is part of the Collaborative Research Project PRC Composites, funded by the DGAC involving Safran, Onera and several CNRS laboratories whose LMT Cachan. One of the main objectives of this project PRC is to establish models capable to simulate the mechanical behavior, durability and still manufacturing processes for composite PMC. This thesis focus on the study of the behavior of 3D woven composite to mechanical fatigue stresses. This thesis further to the work developed at Onera on cycle damage models for fatigue on PMC, named ODM-PMC. We propose a kinetic damage model, which calculates the kinetic damage evolution, over time. This model is then able to take into account the cycle fatigue loads, and on the other hand the complex or random fatigue loads. The proposed kinetic damage law involves two damage contributions, a monotonous contribution for static loads and a fatigue contribution for fatigue loads. The monotonous contribution is fully equivalent to the monotonous law of ODM-PMC model, the parameters are easily identifiable. The fatigue contribution is not equivalent to the fatigue damage law of initial model ODM-PMC, this is explained by the fact that there are different ways to take into account the average stress effect, unavoidable concept for the study of fatigue loads. We have chosen to consider the mean stress effect by adding the calculation of a mean that evolves during the loading. The identification of fatigue parameters takes place in two steps. The first step is based on a simplification of the model equation set (elasticity and damage are not coupled) to determine a simple relationship, 1D, between the number of cycles to failure and the maximum stress. This expression allows us then quickly to draw diagrams Wohler (σ_a ou σ_Max vs N_R) as well as Haigh diagram (σ_a vs σ ̅). These diagrams allow us to make an initial identification of fatigue parameters. The second step is to readjust certain parameters using the full model 3D, numerical, the 3D model was been encoded for both strain and stress steering. Nevertheless, the methodology requires having a lot of experimental results. It allows also to identifying fatigue parameters at other temperatures in order to provide isothermal modeling. The damage model is made with a first probabilistic approach, pragmatic, to the great number of cycles fatigue. One parameter (determinist), is defined as a random variable, it is the fatigue damage threshold (strain) delimiting the endurance unlimited domain

A partir d'un bilan bibliographique portant sur les enjeux du développement des composites dans le secteur automobile et en examinant les problèmes scientifiques et techniques posés par l'utilisation des armures textiles 2D et 3D pour la prévision des propriétés en rigidité de composites tressés, notre recherche s'articule autour de trois axes : Dans une première partie, nous cherchons à décrire les différentes phases de l'opération de tressage en identifiant les principaux paramètres du procédé industriel qui influencent le positionnement et la structuration géométrique de l'armure textile. Nous proposons une formulation analytique originale de la trajectoire des fils sur le mandrin et nous sommes en mesure de simuler l'influence des différents paramètres de tressage sur la description du positionnement géométrique des fils au sein du VER des composites tressés. Dans une seconde étape, nous développerons une procédure d'analyse expérimentale sur des éléments de structures « modèle » tressés en prenant en considération des conditions de chargement complexe pour mettre en évidence les effets induits par les hétérogénéités et les facteurs d'anisotropie des renforts textiles. Cette phase expérimentale permet de proposer et valider, dans une troisième étape, une méthode de calcul des caractéristiques mécaniques globales en rigidité basée sur l'analogie avec les composites stratifiés prenant en considération l'ondulation des fils dans les propriétés intrinsèques des plis individuels
In the first part of the thesis, based on literature results, we synthesize the main difficulties that limit the development of composite materials for automotive applications. Furthermore, we examine what are the scientific and technical issues for the prediction of the mechanical performances of braided technical textiles. Consequently, our effective research work follows three main axes: In a first phase, we analyse different parameters that influence the braiding process, and we propose a new analytical formulation describing the yarn positioning on complex shaped mandrels. In a second phase, we perform an experimental analysis of the mechanical properties of braided composites testing tubular structures under complex loading conditions, to evaluate the influence of internal heterogeneousness on the structural behaviour. In the last phase, we consider and validate a modelling approach where numerical results are obtained from laminated composite theory, taking into account the local orientation of yarns. Finally, we are able to suggest different optimised design ways applied to braided composites structures

Les aubes de turboréacteurs sont aujourd'hui sujets à de nouvelles technologiques novatrices : les matériaux composites tissées 3D. Ces modifications matériaux permettent des réductions de masse significatives, et conduisent à des performances énergétiques et environnementales accrues. Ces structures tissées possèdent généralement des architectures complexes et requièrent une bonne caractérisation mécanique. Des outils de modélisation textile et d'homogénéisation ont été développés, la géométrie et les propriétés physiques de l'architecture tissée y sont analysées. Toutefois, il est important de prévoir les endommagements engendrés dans ces matériaux au niveau des zones de contact soumises à du fretting. En effet, les pieds d'aubes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d'endommagements : l'amorçage et propagation de fissures et l'usure des surfaces en contact. Quantifier ces endommagements requiert une analyse fine du contact à partir d'un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Pour mener à bien cet objectif, un code semi-analytique permettant aujourd'hui de traiter des problèmes hétérogènes de contacts élasto-plastiques est développé. La méthode d'inclusion équivalente proposée au sens d'Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour décrire l'effet des hétérogénéités (cavités, inclusions, fibres ou torons). L'un des corps en contact peut contenir de multiples hétérogénéités de formes parallélépipédiques, ellipsoïdales, et ses formes dégénérées (ellipsoïde oblate, ellipsoïde prolate, sphère, cylindre, disque plat,...). Cette méthode est modifiée et améliorée afin de prendre en compte les influences mutuelles entre les inclusions hétérogènes voisines, et la décohésion à l'interface hétérogénéité/matrice. Un premier couplage avec un modèle de contact aube/disque Eléments Finis permet de prendre en compte les effets de structures. Cette méthode est analogue à un zoom structural lorsqu'un maillage fin est nécessaire dans des zones de contact à fort gradient de contraintes soumises à un endommagement de type fretting. Un second couplage avec le logiciel WiseTex permet de décrire la géométrie réelle du tissage du composite, les propriétés matériaux des fibres et de la matrice. Une segmentation fine du modèle permet de discrétiser les mèches en de multiples hétérogénéités ellipsoïdales équivalentes et d'appliquer la méthode d'inclusion équivalente modifiée. A partir de cette mise en donnée d'un matériau composite tissé revêtu, des calculs de contact tridimensionnel multiéchelle en situation de fretting sont réalisés avec succès.

Dans cette étude, les propriétés mécaniques des FML renforcés de jute tissé 3D et hybrides de jute tissé 3D renforcé ont été étudiées. Le renfort tissé 3D à quatre couches a été fabriqué avec du fil de jute en utilisant quatre types de motifs imbriqués, par ex. Orthogonal Through Thickness OTT et Orthogonal Layer to Layer OLL imbriqué. La technique d'infusion sous vide a été utilisée pour la fabrication de FML avec renfort en jute tissé 3D. Après l'optimisation du renforcement tissé 3D, les FML renforcés hybrides ont été développés dans lesquels le tissu tissé OTT 3D a été pris en sandwich entre une peau tissée 2D. Quatre types de fibres différents ont été utilisés pour fabriquer une peau tissée 2D, par ex. jute, aramide, carbone et verre tandis que trois types différents de matrice ont été utilisés, par ex. époxy, PVB et PP. La presse à chaud par compression a été utilisée pour développer des FML hybrides renforcés. L'aluminium utilisé pour fabriquer tous les FML a été anodisé avant d'être utilisé pour la fabrication. Les propriétés adhésives ont été étudiées pour vérifier la qualité du traitement de surface, la liaison métal-composites et l'effet des fibres et de la matrice. Les propriétés monotones et dynamiques ont également été étudiées. Les propriétés adhésives ont été caractérisées à l'aide de tests de pelage en T et de pelage au rouleau flottant. Les propriétés monotones ont été analysées à l'aide d'essais de traction et de flexion. Les performances d'impact à faible vitesse ont été déterminées en utilisant un test d'impact à faible vitesse. Les résultats ont montré que la surface en aluminium anodisé avait une énergie libre de surface élevée, de sorte que le meilleur mouillage de l'aluminium peut être obtenu par anodisation par rapport à d'autres types de préparations de surface. Les résultats de l'analyse du collage ont montré que les propriétés de délaminage étaient principalement influencées par la nature du matériau adhésif plutôt que par le type de structures de renforcement. La nature de la matrice influence également le type de défaillance car avec l'époxy, la défaillance dominante était cohésive tandis qu'avec la matrice thermoplastique, elle s'est transformée en défaillance adhésive et intra-laminaire. La plasticité et la ductilité de la matrice ont plus influencé les propriétés finales que le type de rupture, malgré la rupture cohésive de l'époxy, la matrice thermoplastique avait plus de force de délamination. Les propriétés de traction et de flexion des FML renforcées de jute tissé OTT 3D étaient supérieures à celles des FML renforcées tissées OLL 3D en raison de la fraction de volume de métal plus élevée, ce qui était possible grâce à une construction plus serrée du tissu OTT. Les propriétés de traction et de flexion des composites hybrides renforcés et des FML ont été influencées par le type de matrice et le matériau de la peau 2D. Les propriétés globales plus élevées ont été obtenues avec une matrice époxy suivie d'une matrice PVB. Les FML à base de PVB ont montré que leurs propriétés étaient comparables à celles de l'époxy. Le test de flexion a montré que les FML hybrides à base de PP échouaient prématurément en raison d'une délamination entre la peau synthétique et l'âme tissée 3D. L'époxy et le PVB ont montré une meilleure imprégnation du renfort contrairement au PP dans lequel seul un verrouillage mécanique a été observé. Les propriétés d'impact dynamique des composites hybrides et des FML ont montré que les caractéristiques de dissipation d'énergie étaient influencées par la matrice et l'hybridation du renforcement
In current study the mechanical properties of 3D woven jute reinforced and hybrid 3D woven jute reinforced FMLs were investigated. The four-layered 3D woven reinforcement was made with jute yarn using four types of interlocking patterns e.g. Orthogonal Through Thickness OTT and Orthogonal Layer to Layer OLL interlocking. The vacuum infusion technique was used for the fabrication of FMLs made with 3D woven jute reinforcement. After the optimization of 3D woven reinforcement the hybrid reinforced FMLs were developed in which OTT 3D woven fabric was sandwiched between 2D woven skin. Four different kinds of fibres were used to make 2D woven skin e.g. jute, aramid, carbon, and glass while three different kinds of matrix were employed, e.g. epoxy, PVB and PP. The compression hot press was used to develop hybrid reinforced FMLs. Aluminium used to make all FMLs was anodized before using for fabrication. The adhesive properties were investigated to check the quality of surface treatment, metal-composites bonding and effect of fibres and matrix. Both monotonic and dynamic properties were also investigated. The adhesive properties were characterized using t-peel and floating roller peel tests. The monotonic properties were analyzed using tensile and flexural tests. The low velocity impact performance was determined using drop weight low velocity impact test. The results showed that the anodized aluminium surface had high surface free energy so the better wetting of aluminium can be achieved by anodizing as compared to other type of surface preparations. The adhesive bonding analysis results showed that the delamination properties were mainly influenced by the nature of adhesive material rather than the type of structures of reinforcement. The nature of the matrix also influences the type of failure as with the epoxy the dominant failure was cohesive while with thermoplastic matrix it changed to adhesive and intra-laminar failure. The plasticity and ductility of matrix influenced the final properties more than the type of failure, in spite of cohesive failure of epoxy the thermoplastic matrix had more delamination force. The tensile and flexural properties of OTT 3D woven jute reinforced FMLs were higher than the OLL 3D woven reinforced FMLs due to the higher metal volume fraction, this was possible due to tighter construction of OTT fabric. The tensile and flexural properties of hybrid reinforced composites and FMLs were influenced by the type of matrix and material of 2D skin. The overall higher properties were achieved with an epoxy matrix followed by PVB matrix. The PVB-based FMLs showed that their properties were comparable with the epoxy. The flexural test showed that hybrid FMLs based on PP were failed prematurely due to delamination between synthetic skin and 3D woven core. Both epoxy and PVB showed better impregnation of the reinforcement unlike PP in which only mechanical interlocking was seen. The dynamic impact properties of hybrid composites and FMLs showed that the energy dissipation characteristics were influenced by matrix and hybridization of reinforcement

La déformation des renforts composites textiles est fortement conditionnée par leur composition fibreuse. Les théories classiques des plaques et des coques sont basées sur des hypothèses cinématiques qui ne sont pas vérifiées pour les renforts textiles. Des expérimentations montrent que le glissement entre fibres (couche) dans l’épaisseur fait la spécificité des matériaux fibreux. Le processus RTM (Resin Transfer Molding) est largement utilisé pour obtenir des pièces composites avec géométrie complexe. La mise en forme est une étape très importante. Afin d’optimiser la fabrication de produit (spécialement le tissu multicouche), des modèles numériques sont nécessaires. Par conséquent une approche de coque 3D spécifique aux renforts fibreux est proposée. Elle est basée sur deux spécificités : la quasi-inextensibilité des fibres et le glissement possible entre les fibres. L'approche est développée dans le cadre « Continuum-based shells ». La nouvelle hypothèse basée sur la conservation d’épaisseur est appliquée dans l’équation cinématique. La forme de puissance virtuelle reflète les spécificités de la déformation des renforts fibreux. Il prend en compte la rigidité de traction et de flexion des fibres et aussi de cisaillement dans le plan. Le frottement entre fibres est pris en compte de manière simple en lien avec la flexion. La présente approche est basée sur la physique réelle de la déformation des renforts textiles. Il permet de simuler les déformations 3D des renforts textiles et fournit des déplacements et déformations pour tous les points dans l'épaisseur du tissu et les bonnes rotations du directeur matériel. Enfin, des expérimentations et simulations réalisées sur des renforts multicouches sont présentées dans ce travail, et une nouvelle méthode d’expérimentation est proposée
The deformation of textile composite reinforcements is strongly conditioned by their fibrous composition. Classic plate and shell theories are based on kinematic assumptions that are not verified for textile reinforcements. Experiments show that the slippage between fiber (layer) in the thickness makes the specificity of fibrous materials. The RTM process (one of the forming process) is widely used to obtain composite parts with complex geometry is with great importance. In order to optimize the manufacturing of product, numerical models are necessary. Therefore, a 3D shell approach specific to fiber reinforcements is proposed which is based on two specificities: the quasi-inextensibility of the fibers and the possible sliding between the fibers. This approach is developed in the frame of continuum-based shell, the new assumption who based on the conservation of the thickness is applied to the kinematic equation. The theory of virtual power reflects the specific deformation of the fibrous reinforcements. It considers the tensile and bending stiffness of the fibers and the in-plan shear stiffness. The friction between fibers is taken into account in a simple way in connection with bending. The present approach is based on the real physics of the deformation of textile reinforcements. It simulates the 3D deformations of textile reinforcements and provides displacements and deformations for all the points along the thickness of the fabric and simulates the correct rotations of the material director. Finally, experiments and simulations performed on multilayer reinforcements are presented in this work, and a new method of experimentation is proposed