Добірка наукової літератури з теми "Matériaux Composites à Renfort Tissé"

En raison des nombreux avantages qu’offrent les fibres végétales, elles sont de plus en plus utilisées pour la production de matériaux composites notamment dans le domaine de la construction. Le riz est la céréale la plus consommée dans le monde pour l’alimentation humaine. Sa production engendre des quantités importantes de paille qui sont peu ou pas valorisées d’où le besoin d’en faire un renfort dans les matériaux cimentaires. À travers cette étude, des composites de pailles de riz (PDR) / ciment ont été élaborés avec différentes teneurs en paille. Des essais mécaniques et physiques ont été réalisés à différents âges pour en évaluer les performances. Il en ressort que l’incorporation de 1 à 5 % de PDR induit une réduction des propriétés physiques et mécaniques des composites et provoquent un retard de prise du ciment. Cela a pour cause la grande absorption d’eau des pailles et leur faible adhésion avec la matrice cimentaire. Par ailleurs on assiste à l’allègement des composites grâce à l’introduction d’air occlus. Cette étude constitue la première étape de toute une série. Elle a permis de comprendre le comportement des PDR vis-à-vis du ciment. Les perspectives visent l’optimisation des propriétés mécaniques et physiques du matériau à travers l’incorporation de granulats.

La disponibilité en quantité importante des sous-produits renouvelable des palmiers dattiers laisse envisager leur utilisation comme renfort dans les matériaux composites et les structures d’isolation. Ceci nécessite la caractérisation physico-mécanique des différentes composantes du palmier. Dans ce contexte, cette étude a été entamée pour la caractérisation d’une composante importante du palmier qui est la palme mûre. La palme étant décomposée essentiellement en deux parties, le Pétiole et le Rachis, la caractérisation a été portée alors sur le bois fibreux et les fibres de ces deux parties. La caractérisation physique concernera la masse volumique des fibres et de la matrice végétale (lignine) ainsi que le taux d’humidité dans les différentes parties de la palme. Les essais mécaniques ont permis de déterminer les caractéristiques mécaniques du bois fibreux et des fibres extraites des deux parties de la palme après le séchage. À l’issue de cette étude, les résultats obtenus montrent l’influence de la position de l’échantillon testé sur les propriétés physico-mécaniques. Ils ont permis également de situer ce type de bois fibreux et ces fibres parmi d’autres résultats de la littérature scientifique et d’envisager de les utiliser dans la mise en œuvre des matériaux composites et dans des éléments d’isolation.

Le présent article traite du renforcement en cisaillement des poutres en béton armé (BA) à l’aide de matériaux composites à base de polymère renforcé de fibres (PRF) collé en surface. La première partie de l’article fait le point sur l’évolution des codes et des normes nord-américains quant à la résistance à l’effort tranchant des poutres en BA renforcées à l’aide de composite en PRF collé en surface. La seconde partie présente une analyse exhaustive des paramètres majeurs influençant la contribution du PRF à la résistance à l’effort tranchant. Elle présente également une comparaison des prédictions des normes de conception en vigueur (ACI 440.2R 2017; CSA/S6 2019; CSA/S806 2012; fib-TG9.3 2001) avec les résultats des essais expérimentaux rapportés dans la littérature. Il ressort de l’étude que des paramètres majeurs influençant le comportement à l’effort tranchant n’ont fait l’objet, à ce jour, que de peu d’investigations. Parmi ces paramètres, on peut citer en particulier : (i) la présence et le taux de l’acier transversal interne et (ii) le nombre de plis (couches) des PRF collés en surface. Cela peut expliquer les écarts observés entre les résistances prédites par les règles de calcul et celles obtenues à partir de tests. À la suite de ces observations, une base de données extraite à partir des études expérimentales a été élaborée dans le cadre de cette étude. Les résultats obtenus mettent en évidence et confirment l’existence d’une interaction entre le composite en PRF collé en surface et l’acier transversal interne quant à la reprise des efforts tranchants. Ils mettent également en évidence l’existence d’une rigidité optimale du PRF au-delà de laquelle le gain en résistance attribué au PRF collé en surface est plafonné.

Ce travail concerne le développement d'une approche multiéchelle du comportement mécanique adaptée aux matériaux composites à renfort tissé. Le modèle DMD (Discrete Micro Damage) proposé repose sur une description de l'architecture du renfort tissé et de l'arrangement des constituants, de leurs propriétés et de leurs modes d'endommagement. Les variables internes du modèle décrivent directement l'état de fissuration du matériau et les décohésions associées. L'endommagement est introduit sous forme discrète dans des cellules élémentaires représentatives du matériau. Les effets de l'endommagement sont ensuite calculés grâce à des essais numériques d'homogénéisation. Des outils de changement d'échelle spécifiques nécessaires au calcul numérique ont été développés afin de prendre en compte les particularités des composites tissés. Le modèle DMD est identifié et validé pour un matériau composite tissé multicouche à matrice céramique. Enfin, le modèle est implanté dans le code de calcul ZéBuLoN et appliqué à trois cas-tests de calcul de structure.

L'objet de ce travail est l'etude des interactions entre le comportement en fatigue et le vieillissement hygrothermique de materiaux composites a renfort tisse et a matrice polyester utilises en construction navale. Nous avons analyse, les processus de degradation sous sollicitations monotones et cycliques de flexion. Au cours de l'essai de fatigue, le suivi de raideur a ete associe a une analyse quantitative de la taille, de l'orientation et de la distribution des microfissures. Cette demarche a permis de definir un critere de duree de vie caracterisant une transition dans les modes d'endommagement du composite. Cette analyse permet egalement de mettre en evidence les effets preponderants de la stratification sur la creation et la propagation de l'endommagement. De plus, nous avons etudie les interactions entre le vieillissement et l'endommagement par fatigue selon deux axes: * l'etude de la tenue en fatigue des composites prealablement vieillis, afin de mettre en evidence les effets de la creation hygrothermique de defauts par diffusion d'humidite, * l'etude du couplage entre l'humidite et la propagation de l'endommagement sur la base d'essais en ambiance controlee. Des mesures de sorption d'eau effectuees en parallele nous ont permis de preciser les echelles de temps associees a la diffusion d'eau dans le composite. Les effets de la stratification sur les processus de sorption d'eau ont ete evalues sur la base d'une modelisation numerique basee sur les lois de fick. La creation hygrothermique de defauts (microfissures, cloquage osmotique) au cours des etapes de vieillissement se traduit par une diminution significative des durees de vie du composite. Les interactions entre l'humidite et la propagation de l'endommagement par fatigue ne peuvent mettre en jeu que des effets tres localises en fond de fissure, apres diffusion capillaire de l'humidite dans les microfissures crees lors des tous premiers cycles de sollicitation. La description quantitative des durees de vie a ete effectuee sur la base d'une analyse integrant les effets du vieillissement sur les coefficients a et b des droites de wohler du composite. Ceux-ci permettent notamment d'envisager une prediction des durees de vie d'apres la determination des caracteristiques monotones du composite

De nos jours, les matériaux composites permettent de diminuer la masse des pièces et sont largement utilisés dans le domaine de l'aérospatial, de l'aéronautique et de l'automobile. De plus, les composites multicouches à renfort textiles permettent de la conception des structures épaisses telles que les aubes de la soufflante des réacteurs d'avion. Cependant, de nombreux défauts peuvent apparaître pendant le processus de mise en forme des renforts multicouches, comme des plissements. Des recherches sur la formation de plis, ainsi que sur la technique de piquage pour améliorer la propriété mécanique des renforts multicouches dans l'épaisseur sont présentées dans ce travail. La première partie de ce présent rapport consiste à étudier la formation de plis des renforts multicouches soumis à la flexion hors plan. Dans un premier temps, l'influence des différentes orientations des couches sur la formation de plis est explorée. La relation entre le chargement appliqué sur le tissu et la création de plissements est ainsi montrée. Le second chapitre consiste à comparer l'influence de deux types de tissage pour ce qui concerne la drapabilité du composite. La troisième partie propose deux modèles numériques adaptés pour simuler le drapage des renforts composites liés par piquage. Ces approches impliquent l'utilisation d'un élément fini de coque de type stress resultant pour représenter chaque couche de renfort et des éléments de barre pour représenter le fil de piquage. Ces modèles nécessitent un algorithme de contact propre pour gérer l'interaction entre le renfort et le fil de piquage. Enfin, la dernière partie consiste à valider les modèles par une comparaison entre les simulations et les essais expérimentaux
Nowadays, composite materials make it possible to reduce the mass of parts and are widely used in the aerospace, aeronautics and automotive industries. In addition, the multilayered reinforcement of composites allows the design of thick structures such as the fan blades of aircraft engines. However, many defects can occur during the forming process of multilayered reinforcements, such as the wrinkling problem. Research on the formation of wrinkles, as well as on the tufting technology to improve the mechanical property of multilayered reinforcements in the direction of thickness are presented in this work. The first part of this report is a study of the formation of the wrinkles of multilayered reinforcements subjected to out-of-plane bending. Firstly, the influence of the different orientations of the layers on the formation of wrinkles is explored. The relationship between the load applied to the fabric and the creation of wrinkles is thus shown. The second chapter compares two types of weaving pattern on the drapability of the composite. The third part consists of developing two numerical models adapted to simulate the forming of tuft-bonded composite reinforcements. These approaches involve the use of a stress resultant shell element to represent each layer of reinforcement and bar elements to represent the tufting yarn. These models require a specific contact algorithm to manage the interaction between the reinforcement and the tufting yarn. Finally, the last part consists of validating the models by comparing simulations and experiments

Le procédé " Resin Transfer Molding " (RTM) est très largement utilisé pour la production industrielle de matériaux composites à matrice thermodurcissable. En effet, de nombreux domaines tels que l'automobile et l'aéronautique l'emploi couramment. Dans ce travail nous avons adapté ce procédé à la mise en œuvre de matériaux composites à matrice thermoplastique afin de répondre aux critères écologiques et économiques imposés aux industries. Pour cela plusieurs étapes ont été nécessaires. La première fut la sélection d'une chimie robuste, adaptée aux exigences du procédé (faible viscosité initiale du système réactif, temps de polymérisation court, etc). La chimie choisie fut la polymérisation anionique par ouverture de cycle de l'ε-caprolactame dans le but d'obtenir du polyamide-6 (PA-6). Une étude rhéo-cinétique ainsi que les caractérisations physico-chimiques d'un PA-6 obtenu au laboratoire furent réalisé. A la suite de cette étape, des essais en conditions de procédé ont été effectué avec l'utilisation d'un équipement pilote dédié. Ces essais furent la source de modifications et d'optimisations de certains paramètres du procédé. La troisième étape, a consisté à la production de pièces composites avec un renfort de type : tissu unidirectionnel de verre. Cette production fut suivie de tests mécaniques et physico-chimiques afin d'évaluer les propriétés de ces pièces. Différents ensimages de tissu ont été étudiés avec, pour objectif, la détermination de celui offrant les meilleures propriétés. Durant cette étude nous avons observé que la nature de l'ensimage impactait peu la chimie. Pour finir, nous avons mis en place un ensimage réactif qui permettra une meilleure interaction fibre/matrice.

L'industrie aéronautique doit faire face aux nouvelles exigences environnementales, tout particulièrement concernant la réduction de la consommation des énergies fossiles. L'utilisation de matériaux composites plus léger permet de répondre en partie à cette attente. Pour limiter les coûts lors de la fabrication et du développement des composites à renforts tissés 3D, il est nécessaire d'utiliser des outils de simulation performants. En particulier, les outils existants, qui discrétisent à une échelle mésoscopique l'architecture des tissus 3D, ne tiennent pas compte de l'influence du procédé de fabrication sur la constitution de la structure textile. Si des outils numériques dédiés à la modélisation du procédé de tressage et de tricotage sont disponibles, il n'en est rien concernant le tissage. Cette étude avait donc pour but de s'intéresser plus particulièrement à la simulation du prodécé de tissage pour pouvoir obtenir une structure de tissu sèche déformée numériquement. La production de différentes architectures de tissu en verre E dans notre laboratoire nous a permis d'observer les différents éléments en contact avec le fil ou le tissu sur la machine à tisser, par le biais de l'utilisation d'une caméra rapide par exemple. Le développement d'un modèle numérique par éléments finis reproduisant le procédé de tissage a été réalisé. Une loi de comportement isotrope transverse fut utilisée pour modéliser les fils de verre. Des premières simulations numériques encourageantes pour la fabrication d'un tissu d'armure toile et d'un tissu d'armure croisé 2-2 sont présentées et comparées avec les tissus réels produits correspondants
The aeronautical industry faces new challenges regarding the reduction of fossil fuel consumption. One way to address this issue is to use lighter composite materials. The ability to predict the geometry and the mechanical properties of the unit cell is necessary in order to develop 3D reinforcements in composite materials for these aeronautical applications. There is a difficulty to get realistic geometries for these unit cells due to the complexity of their architecture. Currently, existing tools which model 3D fabrics at a meso scale don't take into account manufacturing process influence on the shape modification of the textile structure. There is already some numerical tools that can model the braiding or knitting process, but none have been developed for weaving so far. Consequently, this study deals with the numerical simulation of the weaving process to obtain a deformed dry fabric structure. During the weaving process of E-glass fabrics, achieved in our laboratory, it has been observed that large deformations led to the modification of transverse section of meshes, or local density changes, that can modify the fabrics mechanical resistance. For this reason, a numerical tool of the weaving process, based on finite element modelling, has been developped to predict these major deformations and their influences on the final textile structure. The correlation between numerical results and fabrics produced with glass fibres has been achieved for plain weave and 2-2 twill

Le procédé « Resin Transfer Molding » (RTM) est très largement utilisé pour la production industrielle de matériaux composites à matrice thermodurcissable. En effet, de nombreux domaines tels que l’automobile et l’aéronautique l’emploi couramment. Dans ce travail nous avons adapté ce procédé à la mise en œuvre de matériaux composites à matrice thermoplastique afin de répondre aux critères écologiques et économiques imposés aux industries. Pour cela plusieurs étapes ont été nécessaires. La première fut la sélection d’une chimie robuste, adaptée aux exigences du procédé (faible viscosité initiale du système réactif, temps de polymérisation court, etc). La chimie choisie fut la polymérisation anionique par ouverture de cycle de l’ε-caprolactame dans le but d’obtenir du polyamide-6 (PA-6). Une étude rhéo-cinétique ainsi que les caractérisations physico-chimiques d’un PA-6 obtenu au laboratoire furent réalisé. A la suite de cette étape, des essais en conditions de procédé ont été effectué avec l’utilisation d’un équipement pilote dédié. Ces essais furent la source de modifications et d’optimisations de certains paramètres du procédé. La troisième étape, a consisté à la production de pièces composites avec un renfort de type : tissu unidirectionnel de verre. Cette production fut suivie de tests mécaniques et physico-chimiques afin d’évaluer les propriétés de ces pièces. Différents ensimages de tissu ont été étudiés avec, pour objectif, la détermination de celui offrant les meilleures propriétés. Durant cette étude nous avons observé que la nature de l’ensimage impactait peu la chimie. Pour finir, nous avons mis en place un ensimage réactif qui permettra une meilleure interaction fibre/matrice
The "Resin Transfer Molding" (RTM) process is very largely used for the industrial production of composites materials with thermoset matrix. Indeed, it’s used by many fields such as the automotive and aeronautics. In this work we adapted this process to the manufacture of composite materials with thermoplastic matrix in order to answer the ecological and economic criteria imposed on industries. For that several steps were necessary. The first was the selection of a robust chemistry, adapted to the requirements of the process (low initial viscosity of the reactive system, polymerization time, etc). The selected chemistry, was the ring opening polymerization of ε - caprolactam to obtain polyamide-6 (PA-6). Rhéo-kinetics studies, as well as the physicochemical characterizations of a Pa-6 obtained at the laboratory were carried out. Following this step, tests in conditions of process were carried out with the use of dedicated pilot equipment. These tests were the source of modifications and optimizations of certain parameters of the process. The third step, consisted with the production of composite parts with a reinforcement of the type: unidirectional glass fabric. This production was followed mechanical and physico-chemical tests in order to evaluate the properties of these parts. Various sizing of the glass fabric were studied with, for objective, to determine which to offer the best properties. During this study we observed the low impact of the sizing on the chemistry of PA-6. To finish, we set up a reactive sizing which will allow a better interaction fibre/matrix

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

La simulation des procédés de production des composites à renforts tissés est un enjeu majeur pour les industries de pointe, où leur utilisation s’intensifie. La maitrise des procédés d’obtention des composites à matrice et fibres en céramique, notamment les étapes de mise en forme et de pyrolyse, s’avère primordiale. La connaissance et la simulation du comportement mécanique aux différentes étapes est nécessaire pour optimiser les performances des pièces finales. Deux approches de modélisation macroscopique des renforts tissés épais de composite sont détaillées : une approche continue classique et une approche semi-discrète. Pour cela, une loi de comportement hyperélastique initialement orthotrope est développée. Cette loi est basée sur l’observation phénoménologique des modes de déformation privilégiés, à partir desquels sont proposés des invariants physiques de la transformation. L’identification des paramètres matériaux nécessaires est décrite. Une version modifiée de cette loi, sans contribution en tension, est implémentée dans un élément semi-discret, où le travail en tension est alors pris en compte par des barres discrétisant le tissage réel. Les importantes différences de rigidités entre sollicitations en tension et en cisaillements font des renforts tissés épais des matériaux fortement anisotropes. Leur modélisation numérique met en évidence des phénomènes parasites ou des limitations liés à cette spécificité. Le phénomène de verrouillage en tension est tout d’abord mis en évidence. Une solution basée sur une formulation éléments finis enhanced assumed strain est proposée pour des éléments continus classiques ou semi-discrets. Puis des problèmes liés aux simulations numériques dominées par la flexion sont soulevés : l’hourglassing transverse et l’absence de résistance locale à la courbure. Dans le cas de l’hourglassing transverse, deux méthodes de rigidification de ces modes de déplacement sont proposées : par moyennage des dilatations dans l’élément ou par ajout d’une rigidité matérielle tangente supplémentaire. Pour l’introduction d’une résistance à la courbure, une méthode basée sur l’utilisation purement numérique de plaques rotation free est proposée. Celles-ci permettent le calcul de la courbure induisant, par l’intermédiaire d’un moment de flexion, des efforts internes supplémentaires. Finalement, la modélisation du retour élastique après pyrolyse de la matrice organique à précurseurs céramique est réalisée. Le comportement de la matrice pyrolysée est identifié expérimentalement à l’aide d’une loi hyperélastique isotrope transverse. L’addition de cette loi, qui prend comme référence la préforme déformée, à la loi de comportement initiale du renfort tissé permet de visualiser les déformations obtenues en fin de pyrolyse. Cette modélisation est comparée à des résultats expérimentaux
Manufacture processes modeling of woven fabrics composites is a major stake for state-of-the-art industrial parts, where their usage is intensifying. Control of all the manufacturing stages of ceramic matrix composites, particularly the forming and pyrolysis steps, is essential. Understanding and simulation of the mechanical behavior at each stage is required to optimize the final product performances. Two macroscopic modeling approaches of thick woven fabric reinforcements are detailed: a continuous classical one and a semi-discrete one. An initially orthotropic hyperelastic constitutive law is thus established. This law is based on a phenomenological observation of the main fabric deformation modes, from where physical invariants of the deformation are suggested. The required material parameters identification is explained. A modified version of this law, without any tensile energetic contribution, is implemented in a semi-discrete element where the tensile work is taken into account by bars that discretize the real weaving. Thick woven reinforcements are highly anisotropic materials due to the large ratio between the tensile rigidity and the others. Their numerical modeling highlights spurious phenomena and limitations related to this specificity. The tension locking is firstly tackled. A remedy based on an enhanced assumed strain finite element formulation is suggested for classical continuum and semi-discrete elements. Problems linked to bending-dominated numerical simulations are brought to attention : transverse hourglassing and lack of local bending stiffness. For the transverse hourglassing situation, two stiffening technics are proposed : averaging the dilatation through the whole element or adding a supplementary tangent material rigidity in a specific direction. The local bending stiffness problem is solved by calculating the curvature inside the element by using rotation free plates. The induced bending moment leads to supplementary internal loads. Finally, the elastic springback following the pyrolysis of the polymer matrix with ceramic precursors is modeled. The constitutive behavior is experimentally identified with a transverse isotropic hyperelastic law. Added to the initial reinforcements’ hyperelastic law, with the preformed fabric as reference configuration, the pyrolysis induced deformations can be visualized. This final model is compared with experimental results

Woven reinforced composites are often hindered by challenges in accurately predicting their mechanical behavior. This obstacle primarily stems from the heterogeneous nature of these materials. Consequently, employing multi-scale approaches becomes imperative to ascertain their overall responses under complex loading conditions, incorporating detailed descriptions of microstructure and the constitutive laws governing their components. However, effectively incorporating these methodologies into real-scale applications, particularly within FE² analyses, remains challenging due to the significant computational requirements. This challenge intensifies when numerous direct calculations are necessary for testing various configurations, a critical aspect in optimization, inverse analysis, or real-time simulations. The need for such calculations adds to the computational demands, posing a significant obstacle to integrated into practical applications. To address these issues, while considering the scale effects, this thesis aims to develop efficient numerical tools to achieve accurate and fast predictions of woven composite response. First, we develop virtual twins (multiparametric solution) for real-time prediction of composite response, using non-intrusive Proper Generalized Decomposition (PGD) based methods. This aims at providing an accurate approximation of these high-dimensional problems, that involved several microstructural parameters, with limited dataset. These multiparametric solutions are constructed for both linear and nonlinear behavior including history- and rate-dependent behaviors. Second, we develop an approach based on Artificial Neural Networks (ANNs) to perform a macroscopic surrogate model of composites. This model, referred to as Multiscale Thermodynamics Informed Neural Networks (MuTINN), is founded on thermodynamic principles and introduces specific quantities of interest that serve as internal state variables at the macroscopic level. This captures efficiently the state and evolution laws governing the history-dependent behavior of these composites while retaining the thermodynamic admissibility and the physical interpretability of their overall responses. This approach has successfully associated with FE code, streamlining the application of multiscale FE-MuTINN approach for composite structure computations. The prediction capabilities of the proposed approach are demonstrated across the material scales, exemplified through diverse instances of woven composite structures. These applications account for anisotropic yarn damage and an elastoplastic polymer matrix behavior. This promises a potential solution to alleviate the computational challenges associated with multiscale simulations of large composite structures and paving the way for the development of a hybrid twin solution
Although woven reinforced composites are experiencing rapid growth across various engineering and industrial domains, their widespread adoption is often hindered by challenges in accurately predicting their mechanical behavior. This obstacle primarily stems from the heterogeneous nature of these materials. Consequently, employing multi-scale approaches becomes imperative to predict their overall response under complex loading conditions, incorporating detailed descriptions of microstructure and the constitutive laws governing their components. However, effectively incorporating these methodologies into real-scale applications, particularly within FE² analyses, remains challenging due to the significant computational requirements they entail. This challenge intensifies when numerous direct calculations are necessary for testing various configurations, a critical aspect in optimization, inverse analysis, or real-time simulations. The need for such calculations adds to the computational demands, posing a significant obstacle to integrated into practical applications. To address these issues, while considering the scale effects, this thesis aims to develop efficient numerical tools to achieve accurate and fast predictions of woven composite response. First, we develop virtual twins (multiparametric solution) for real-time prediction of composite response, using non-intrusive Proper Generalized Decomposition (PGD) based methods. This aims at providing an accurate approximation of high-dimensional problems, that involved several microstructural parameters, with limited dataset. These multiparametric solutions are constructed for both linear and nonlinear behavior including history- and rate-dependent behaviors. Second, we develop an approach based on ANN to perform a macroscopic surrogate model of composites. This model, referred to as Multiscale Thermodynamics Informed Neural Networks (MuTINN), is founded on thermodynamic principles and introduces specific quantities of interest that serve as internal state variables at the macroscopic level. This captures efficiently the state and evolution laws governing the history-dependent behavior of these composites while retaining the thermodynamic admissibility and the physical interpretability of their overall responses. This approach has successfully associated with FE code, streamlining the application of multiscale FE-MuTINN approach for composite structure computations. The prediction capabilities of the proposed approach are demonstrated across the material scales, exemplified through diverse instances of woven composite structures. These applications account for anisotropic yarn damage and an elastoplastic polymer matrix behavior. This promises a potential solution to alleviate the computational challenges associated with multiscale simulations of large composite structures and paving the way for the development of a hybrid twin solution

Les composites à fibres continues (carbone, verre) sont régulièrement employés dans les industries du transport (automobile, aéronautique) pour leurs excellentes performances mécaniques rapportées à leur masse. Alors que les renforts tissés sont largement utilisés et étudiés, on constate un intérêt croissant pour les renforts cousus appelés « non crimp fabric » (NCF). Ces renforts sont constitués de plis de fibres unidirectionnels juxtaposés, non tissés, mais cousus entre eux à l’aide d’un fil de couture. Ils permettent une plus grande variété d’empilements et optimisent les propriétés du composite en réduisant l’entrelacement des fibres. La fabrication de pièces composites par des procédés automatisés tel que le RTM (Resin Transfert Molding) implique de mettre en forme les renforts fibreux pour obtenir des géométries 3D complexes. La mise en forme des NCF est fortement impactée par la présence de la couture. Le développement d’outils de simulation adaptés doit permettre d’optimiser la fabrication de ces produits. Ce travail s’intéresse au rôle mécanique de la couture lors de la mise en forme. L’étude porte sur différents renforts NCF, des essais expérimentaux et des simulations par éléments finis en dynamique explicite. En s’inspirant de travaux antérieurs sur les renforts tissés, différentes approches de modélisation sont proposées pour les NCF à l’échelle macroscopique : intégration du fil et du motif de couture dans les lois de comportement ; développement de modèles mixant des éléments finis continus pour les nappes de fibres, et semi-discrets pour les coutures. Les performances de ces différentes approches sont confrontées aux résultats expérimentaux. Enfin, une nouvelle contribution est apportée pour la prise en compte de la rigidité de flexion dans le plan des renforts fibreux, en généralisant l’utilisation des éléments finis de coque dit « rotation-free » pour le calcul de l’ensemble des courbures (hors plan et dans le plan)
Continuous fibre composites (carbon, glass) are regularly used in the transport industries (automotive, aeronautics) for their excellent mechanical performance in relation to their mass. While woven reinforcements are widely used and studied, there is a growing interest in stitched reinforcements called "non crimp fabric" (NCF). These reinforcements consist of juxtaposed plies of unidirectional fibres , non-woven, but sewn together with a stitching thread. They allow a greater variety of fibre orientation and optimize the properties of the composite by reducing fiber interweaving. The manufacture of composite parts by automated processes such as RTM (Resin Transfer Molding) involves the forming of fibrous reinforcements to obtain complex 3D geometries. The draping of NCFs is strongly impacted by the presence of the stiching thread. The development of simulation tools should enable the manufacture of these products to be optimize. This work focuses on the mechanical role of stitching during forming. The study focuses on experimental tests and finite element simulations in explicit dynamics of various NCF reinforcements. Different modelling approaches at macroscopic scale are proposed for NCFs, based on previous work on woven reinforcements : integration of stitched thread and the stitch pattern into the laws of behaviour; development of models mixing continuous finite elements for fibre modelisation, and semi-discrete models for the stitch. The performance of these different approaches is compared with experimental results. Finally, a new contribution is add to consider the bending rigidity in the plane of the fibrous reinforcements by generalizing the use of finite elements shell called "rotation-free" for the calculation of all the curvatures (out of plane and in the plane)