Contribution à l'approche numérique multi-échelles pour la modélisation du comportement mécanique de matériaux composites à renfort interlock PDF Download
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Book Description
Les tisseurs "interlock 2.5D" appartiennent à la famille des composites tridimensionnels. Ils apparaissent pour les applications avancées (aéronautiques, spatial, automobile,...) à cause de leurs avantages sur les tisseurs bidimensionnels, surtout en ce qui concerne les bonnes propriétés mécaniques dans la troisième direction (Z). La modélisation des propriétés mécaniques de ce type de composites peut être faite à l'aide de modèles numériques ou analytiques. L'évaluation des propriétés mécaniques par une étude expérimentale donne des résultats plus précis en comparant avec ceux obtenus par les modèles numériques, or le cout important consommé des machines et les échantillons réels des matériaux utilisés, impose la recherche d'une méthode numérique fiable. Partant de ce constat, une nouvelle méthodologie de construction du maillage du volume élémentaire représentatif 'VER' est proposée. La technique consiste à mailler en tétraèdres la matrice (de comportement isotrope) et en hexaèdres les mèches (de comportement isotrope transverse). Afin de réaliser la discrétisation, un modèle géométrique est développé à partir de mesures prises par photomicrographie sur un matériau fourni par une société aéronautique. Le logiciel industriel "Ansys Academic Associate" est utilisé pour résoudre le problème. Des délaminages possibles sont pris en compte grâce à des interfaces de contact. Les rigidités, dépendantes de ces endommagements possibles, sont déterminées dans les trois directions et sont comparées avec les résultats expérimentaux (suivant la direction de trame Y pour le Tisseur4-69) et un modèle analytique. Au-delà des résultats satisfaisants pour le comportement élastique (en accord avec les résultats expérimentaux), le domaine endommagé par un délaminage apparaît correctement décrit, en ayant recours à une approche cohésive privilégiant les concepts de la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture, associés aux sollicitations des Modes I et II.
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Les tisseurs "interlock 2.5D" appartiennent à la famille des composites tridimensionnels. Ils apparaissent pour les applications avancées (aéronautiques, spatial, automobile,...) à cause de leurs avantages sur les tisseurs bidimensionnels, surtout en ce qui concerne les bonnes propriétés mécaniques dans la troisième direction (Z). La modélisation des propriétés mécaniques de ce type de composites peut être faite à l'aide de modèles numériques ou analytiques. L'évaluation des propriétés mécaniques par une étude expérimentale donne des résultats plus précis en comparant avec ceux obtenus par les modèles numériques, or le cout important consommé des machines et les échantillons réels des matériaux utilisés, impose la recherche d'une méthode numérique fiable. Partant de ce constat, une nouvelle méthodologie de construction du maillage du volume élémentaire représentatif 'VER' est proposée. La technique consiste à mailler en tétraèdres la matrice (de comportement isotrope) et en hexaèdres les mèches (de comportement isotrope transverse). Afin de réaliser la discrétisation, un modèle géométrique est développé à partir de mesures prises par photomicrographie sur un matériau fourni par une société aéronautique. Le logiciel industriel "Ansys Academic Associate" est utilisé pour résoudre le problème. Des délaminages possibles sont pris en compte grâce à des interfaces de contact. Les rigidités, dépendantes de ces endommagements possibles, sont déterminées dans les trois directions et sont comparées avec les résultats expérimentaux (suivant la direction de trame Y pour le Tisseur4-69) et un modèle analytique. Au-delà des résultats satisfaisants pour le comportement élastique (en accord avec les résultats expérimentaux), le domaine endommagé par un délaminage apparaît correctement décrit, en ayant recours à une approche cohésive privilégiant les concepts de la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture, associés aux sollicitations des Modes I et II.
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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.
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L'industrie des matériaux composites ne cesse d'évoluer et de croître en mettant en place de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies. En substitution des matériaux d'origine fossile que les matériaux d'origine naturelles (et surtout végétales) commencent à voir le jour. C'est dans ce contexte que notre travail de recherche est proposé. Il s'intéresse à la caractérisation du comportement mécanique d'un composite à matrice Polypropylène, renforcé avec des fibres de Chanvre et du bois de Chanvre (Chènevotte). Les différents moyens et techniques de caractérisation, utilisés par la présente étude, ont montré que ces nouveaux matériaux sont dotés de propriétés, en particulier mécaniques, de haut niveau, qui viennent rivaliser avec celles des autres composites classiques à base de fibres de verre et de carbone.Les essais expérimentaux en statique et de fatigue, ont révélé beaucoup de détails en comparaison avec d'autres matériaux composites. Ces informations ont permis de créer une sorte de base de données qui pourra servir de référence pour d'autres composites de la même famille à base de fibres végétales. Ainsi, des mécanismes d'endommagement ont été mis en évidence grâce aux essais mécaniques (traction monotone, charge-décharge, ...) associés à des observations microscopiques (Microscope Electronique à Balayage), et à des outils de détection du dommage basés sur l'émission acoustique. Par le biais de cette technique, nous avons pu apprécier la qualité et l'importance de l'interface fibre/matrice qui est un paramètre fondamental pour la présente étude et pour la détermination de la loi de comportement du composite.La modélisation micromécanique a été intégrée dans ce travail de thèse, grâce au modèle de Mori-Tanaka. Le comportement des matériaux à l'endommagement n'a pas été pris en considération ; seule l'élasticité a été étudiée. A l'aide de ce modèle, nous avons pu remonter aux propriétés intrinsèques des constituants (le module d'élasticité longitudinale des renforts: Chanvre et Chènevotte).
Author: Adjovi Abueno Kanika C-M. Koutsawa-Tchalla Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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We propose in this thesis several approaches for improving the multiscale modeling and simulation of composites' behavior. Accurate and reliable modeling of the mechanical response of composite materials remains a major challenge. The objective of this work is to develop simplified methodologies based on existing homogenization techniques (numerical and analytical) for efficient prediction of nonlinear behavior of these materials. First choice has been focused on the Mean-field homogenization methods to study the elasto-plastic behavior and ductile damage phenomena in composites. Although restrictive, these techniques remain the best in terms of computational cost and efficiency. Two methods were investigated for this purpose: the Incremental Scheme Micromechanics (IMS) in One-site modeling and the Mori-Tanaka model in multi-site modeling (MTMS). In the framework of elastoplasticity, we have shown and validated by finite element method that the IMS homogenization results are more accurate, when dealing with high volume fraction composites, than the Mori-Tanaka model, frequently used in the literature. Furthermore, we have extended the Mori-Tanaka's model (MT) generally formulated in One-site to the multi-site formulation for the study of elasto-plastic behavior of composites with ordered microstructure. This approach shows that the multi-site formulation produces consistent results with respect to finite element and experimental solutions. In the continuation of our research, the Lemaître-Chaboche ductile damage model has been included to the study of elasto-plastic behavior in composite through the IMS homogenization. This latest investigation demonstrates the capability of the IMS model to capture damage effects in the material. However, the issue on the loss of ellipticity was not addressed. Finally we develop a numerical homogenization tool based on computational homogenization. This novel numerical tool works with 2D and 3D structure and is fully integrated in the conventional finite element code ABAQUS through its subroutine UMAT. The (FE2) method offers the advantage of being extremely accurate and allows the handling of more complex physics and geometrical nonlinearities. Linear and non-linear cases were studied. In addition, its combination with ABAQUS allows the use of major resources provided by this software (a panel of toolbox for various mechanical, thermomechanical and electrical analysis) for the study of multi-physics problems. This work was validated in the linear case on a two-scale analysis in bending and compared to the multi-scale method ANM (Nezamabadi et al. (2009)). Extensive work will be needed later with applications on non-linear problems to highlight the value of the developed tool.
Author: Jean-Marie Berthelot Publisher: Tec & Doc Lavoisier ISBN: 9782743003494 Category : Languages : fr Pages : 642
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Synthèse unanimement reconnue, Matériaux composites apporte tous les éléments nécessaires à une bonne compréhension du comportement mécanique des matériaux et structures composites. De fait, les différentes parties ont été développées de manière à aboutir à une continuité des concepts et théories, fournissant ainsi une approche fondamentale unifiée. Après avoir présenté la constitution puis la mise en œuvre des matériaux composites, l'ouvrage traite des outils de modélisation du comportement mécanique des structures en matériaux composites stratifiés et sandwichs. Il aborde ensuite les problèmes de dimensionnement des structures. Son contenu et sa progression ont été conçus avec quatre objectifs principaux : • considérer le matériau composite comme un matériau traditionnel ; • intégrer l'apport de la conception assistée par ordinateur dans la résolution des problèmes de dimensionnement des structures ; • aborder les difficultés de manières progressives ; • confronter systématiquement la modélisation avec le comportement réel des matériaux et structures. Entièrement actualisée, cette 3e édition a vu ses six derniers chapitres profondément modifiés et augmentés. Elle bénéficie également de l'ajout de deux annexes. Rigoureux et didactique, Matériaux composites constitue la référence incontournable des étudiants (2e et 3e cycles), ingénieurs, chercheurs et techniciens supérieurs.
Author: Philippe Pluvinage Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 260
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LE COMPORTEMENT MECANIQUE EN TENSION SUIVANT LES AXES D'ORTHOTROPIE DE MATERIAUX COMPOSITES STRATIFIES, ELABORES PAR INFILTRATION CHIMIQUE EN PHASE GAZEUSE D'UNE MATRICE DE SIC AU SEIN DE STRATES UNIDIRECTIONNELLES DE FIBRES SIC, CROISEES SELON DIFFERENTES SEQUENCES, A ETE ETUDIE EXPERIMENTALEMENT ET PAR SIMULATION NUMERIQUE. L'ETUDE EXPERIMENTALE A PERMIS (I) LA CARACTERISATION MORPHOLOGIQUE DES MATERIAUX ET EN PARTICULIER DE LA POROSITE RESIDUELLE AINSI QUE LA DESCRIPTION DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT PAR VISUALISATION SOUS CHARGE, (II) L'IDENTIFICATION A PARTIR D'ESSAIS MECANIQUES VARIES D'UNE LOI APPROCHANT LE COMPORTEMENT INDIVIDUEL DES STRATES ET (III) LA CARACTERISATION MECANIQUE DE DIVERS STRATIFIES A PLIS CROISES. LA MODELISATION DE CES STRATIFIES ET LA DETERMINATION NUMERIQUE DES COURBES CONTRAINTE-DEFORMATION EN TENSION, A PARTIR D'UN PROGRAMME D'ELEMENTS FINIS INTEGRANT LE COMPORTEMENT ENDOMMAGEABLE DE CHAQUE STRATE, PERMET DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES PARAMETRES D'ELABORATION DES MATERIAUX STRATIFIES SUR LEUR COMPORTEMENT MECANIQUE: SEQUENCE D'EMPILEMENT, EPAISSEUR DES STRATES, TAILLE ET FORME DES POROSITES, DENSIFICATION DE LA MATRICE, INTERPHASE FIBRE-MATRICE.
Author: Marco Gigliotti Publisher: ISTE Group ISBN: 1784052833 Category : Composite materials Languages : fr Pages : 123
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L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.
Author: BERTHELOT Jean-Marie Publisher: Lavoisier ISBN: 2743064501 Category : Composite materials Languages : en Pages : 664
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Véritable ouvrage de référence, Matériaux composites apporte l’ensemble des concepts théoriques et pratiques nécessaires à la compréhension du comportement mécanique des matériaux et structures composites. Ainsi, il permet d’établir une synthèse de l’analyse du comportement mécanique et de la théorie des plaques stratifiées ou sandwiches, et d’en appliquer les développements à la résolution des problèmes de flexion, de flambement et de vibrations. Composé de cinq parties, ce traité repose sur une approche fondamentale et unifiée aboutissant à une continuité des concepts et des théories. Illustrée de nombreux exercices d’application des concepts introduits, cette cinquième édition entièrement en couleurs a été actualisée et des commentaires ont été ajoutés afin de mettre en évidence la progression du traité. Après une présentation de la constitution puis de la mise en œuvre des matériaux composites, l’ouvrage développe progressivement les outils nécessaires pour modéliser le comportement mécanique des structures en matériaux composites stratifiés et sandwiches. Il aborde ensuite les problèmes de dimensionnement des structures, montrant comment les outils introduits permettent de modéliser le comportement mécanique des structures en matériaux composites. Le contenu et la progression de Matériaux composites ont été conçus avec pour objectifs principaux : – traiter le matériau composite comme un matériau traditionnel ; – intégrer l’apport des techniques numériques dans la résolution des problèmes de dimensionnement des structures ; – aborder les difficultés de manière progressive afin de faciliter l’accès du lecteur aux divers concepts introduits ; – confronter la modélisation avec le comportement réel des matériaux et des structures. Complet et didactique, cet ouvrage s’adresse aux étudiants de 2e et 3e cycles, aux ingénieurs, aux chercheurs ainsi qu’aux techniciens supérieurs
Author: Philippe Le Grognec Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 299
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Mes travaux de recherche s'articulent autour de la modélisation théorique et numérique du comportement non-linéaire des matériaux et des structures, et s'intéressent en particulier au flambement de structures élastoplastiques ou composites. Ma principale activité a consisté à développer un certain nombre de programmes de calcul ou de modélisation par éléments finis. Le premier thème abordé est la plasticité. Une formulation générale de l'intégration locale a été mise en œuvre pour un critère de plasticité et une loi d'écrouissage arbitraires. Les applications visées sont la prédiction des phénomènes de rochet et de striction. Les derniers développements concernent l'identification d'un modèle 3-phases pour des films polymères en grandes transformations. Le second thème traite de l'homogénéisation périodique de matériaux composites à renforts 3D. L'objectif est de remplacer la structure mince hétérogène par une plaque homogène équivalente et ses raideurs effectives en élasticité. Une réflexion sur l'endommagement de ces matériaux par décohésion fibres/matrice est en cours. L'essentiel de mes travaux porte sur la modélisation du flambement et du post-flambement, qui repose conjointement sur une démarche de résolution analytique et un programme élément fini coque doté de méthodes numériques de longueur d'arc et de bifurcation. Les thèmes précédemment abordés permettent de s'intéresser au flambement plastique ainsi qu'au flambement local/global de matériaux hétérogènes. La poursuite de ces travaux tend à combiner plasticité, homogénéisation et flambement, afin de définir des outils de dimensionnement efficaces pour des structures telles que les matériaux sandwich.
Author: 
Author: 
Author: Guillaume Couégnat
Author: Abdelmonem Elouaer
Author: Adjovi Abueno Kanika C-M. Koutsawa-Tchalla
Author: Jean-Marie Berthelot
Author: Philippe Pluvinage
Author: Louis Gauthier
Author: Marco Gigliotti
Author: BERTHELOT Jean-Marie
Author: Philippe Le Grognec