Etude et modélisation de l'endommagement mécanique des matériaux composites sous l'effet de l'humidité PDF Download
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Book Description
La présente étude traite la durabilité en milieu humide et l'endommagement par fatigue des matériaux composites à matrice organique (CMO). La diffusion d'eau dans un matériau SMC (matrice polyester renforcée par des fibres de verre et des particules de craies) est tout d'abord analysée expérimentalement. Puis elle est modélisée numériquement sous différentes conditions de vieillissement hygrothermique en immersion. Les mécanismes physiques à l'origine de l'endommagement hygrothermique sont alors identifiés. Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence avec les phénomènes d'endommagement identifiés. L'effet de l'endommagement hygrothermique sur la durée de vie en fatigue est alors étudié expérimentalement. Un modèle prédictif qui prend en compte les effets d'endommagements d'origine hydrique et mécanique est alors proposé. Un calcul couplé diffusion/mécanique permet de déterminer le comportement global du matériau. On montre qu'il est possible de simuler et de suivre en continu l'évolution de la durée de vie en fatigue du matériau vieilli quel que soit le temps et la température.
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La présente étude traite la durabilité en milieu humide et l'endommagement par fatigue des matériaux composites à matrice organique (CMO). La diffusion d'eau dans un matériau SMC (matrice polyester renforcée par des fibres de verre et des particules de craies) est tout d'abord analysée expérimentalement. Puis elle est modélisée numériquement sous différentes conditions de vieillissement hygrothermique en immersion. Les mécanismes physiques à l'origine de l'endommagement hygrothermique sont alors identifiés. Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence avec les phénomènes d'endommagement identifiés. L'effet de l'endommagement hygrothermique sur la durée de vie en fatigue est alors étudié expérimentalement. Un modèle prédictif qui prend en compte les effets d'endommagements d'origine hydrique et mécanique est alors proposé. Un calcul couplé diffusion/mécanique permet de déterminer le comportement global du matériau. On montre qu'il est possible de simuler et de suivre en continu l'évolution de la durée de vie en fatigue du matériau vieilli quel que soit le temps et la température.
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Du fait de leurs nombreux avantages, à savoir notamment leur faible coût, leurs meilleures possibilités de recyclage et de réparation, leur légèreté et leur bonne tenue en fatigue, les résines polymères thermoplastiques sont de plus en plus employées dans l'industrie des matériaux composites. Cependant, du fait de leur nature chimique, leur réponse mécanique dépend de la température, et ce, même dans un intervalle éloigné de leur température de transition vitreuse. Cette dépendance se répercute, dans une proportion moindre mais qui reste significative, sur la réponse mécanique des composites à matrice thermoplastique. Du fait des distributions locales des contraintes dans ces derniers et des micro- et méso- structures qui les composent, cette dépendance peut aussi se répercuter sur le scénario d'endommagement de ces derniers. Or, des structures telles que des pales d'éolienne sont amenées à fonctionner dans une plage de température allant de -20°C à 60°C. Il devient donc nécessaire d'étudier l'impact de la température sur le comportement mécanique et sur le scénario d'endommagement des composites à matrice thermoplastique, pour permettre notamment de mieux prévoir l'évolution de l'endommagement en fatigue des pales d'éolienne, dans leur intervalle de température de service. En effet, les pales d'éolienne sont généralement dimensionnées via une approche normative, qui requiert soit des campagnes expérimentales conséquentes pour obtenir le comportement en fatigue de tous les stratifiés constituant une structure telle qu'une pale d'éolienne soit la formulation d'hypothèses fortement conservatives, qui nuisent à l'optimisation de la conception des pales. Pour pallier à cela, un modèle d'endommagement permettant de décrire l'évolution de la résistance, de la rigidité et de la déformation résiduelle d'un pli unidirectionnel soumis à des chargements quasi-statiques ou de fatigue a été récemment développé. Les travaux présentés ici visent dans un premier temps à valider l'utilisation de ce modèle dans le cas d'un composite à matrice acrylique renforcé de fibres de verre, utilisé pour la fabrication de certaines pales d'éolienne. L'identification et la validation s'appuient à la fois sur des essais mécaniques en quasi-statique, en fatigue (traction/traction, traction/compression) sur plusieurs strates et sur des analyses physiques (micrographies sous charge, micro-tomographie à rayons X). Il s'agit ensuite d'analyser comment l'effet de la température sur le comportement mécanique et le scénario d'endommagement de ce composite se répercute sur les paramètres du modèle.
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LES MATERIAUX COMPOSITES DE TYPE FIBRES LONGUES DE CARBONE/MATRICE POLYMERE (CFRP) POSSEDENT D'EXCELLENTES CARACTERISTIQUES MECANIQUES SPECIFIQUES (RAPPORT PERFORMANCE/POIDS) QUI ONT CONDUIT, CES DERNIERES ANNEES, A LEUR UTILISATION DANS UN NOMBRE CROISSANT DE STRUCTURES TRAVAILLANTES, NOTAMMENT POUR DES APPLICATIONS AERONAUTIQUES. CEPENDANT, SI GENERALEMENT, L'INDUSTRIE CONSIDERE CES COMPOSITES COMME POTENTIELLEMENT INTERESSANTS, LA MECONNAISSANCE DE LEUR DURABILITE REND LEUR EMPLOI SOUVENT LIMITE. EN EFFET, LA CONCEPTION DE STRUCTURES COMPOSITES NECESSITE LE PLUS SOUVENT LA PRISE EN COMPTE DU COMPORTEMENT A LONG TERME SOUS DIVERS TYPES DE SOLLICITATIONS GENERES SIMULTANEMENT PAR LES CHARGEMENTS MECANIQUES ET L'ENVIRONNEMENT. CE TRAVAIL DE THESE EST BASE, D'UNE PART, SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN MOYEN EXPERIMENTAL DE CARCTERISATION EN FLUAGE, ET, D'AUTRE PART, SUR LA MISE AU POINT D'UNE METHODOLOGIE PERMETTANT LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION DU COMPORTEMENT A LONG TERME SOUS CHARGE CONSTANTE DE STRUCTURES COMPOSITES SOUMISES AUX EFFETS DU VIEILLISSEMENT (TEMPERATURE ET HUMIDITE). LES MATERIAUX COMPOSITES ETUDIES ETANT COMPLEXES (MATRICE POLYEPOXYDE MODIFIEE PAR UN TP), UNE ATTENTION TOUTE PARTICULIERE EST ACCORDEE A LEUR MICROSTRUCTURE (ETAT DE RETICULATION ET MORPHOLOGIE). DES RELATIONS MICROSTRUCTURES-PROPRIETES ONT AINSI PU ETRE ETABLIES. DES TESTS DE CARACTERISATION HYGRO-THERMO-MECANIQUE DES MATERIAUX ONT ETE CONDUITS. CES ESSAIS PERMETTENT NOTAMMENT DE PRECISER LES TEMPERATURES CARACTERISTIQUES DE NOS CFRP, D'ETUDIER L'EFFET DE L'EAU SUR LEURS PROPRIETES THERMO-MECANIQUES ET DE DETERMINER LEURS PROPRIETES MECANIQUES A RUPTURE POUR LES DIVERSES CONDITIONS ENVIRONNEMENTALES (TEMPERATURE ET HUMIDITE). CES DERNIERES PERMETTENT, ENTRE AUTRE, DE FIXER LE NIVEAU DE CONTRAINTE A APPLIQUER LORS DES ESSAIS DE FLUAGE. PUIS, UNE APPROCHE QUALITATIVE DU COMPORTEMENT EN FLUAGE A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LES PRINCIPAUX PARAMETRES INFLUENCANT LA TENUE A LONG TERME DES CFRP. PARALLELEMENT, NOUS AVONS ETUDIES LES DIVERS MECANISMES DE DEGRADATION QUI CONDUISENT A LA RUINE DU MATERIAU. CETTE ETUDE A ETE EFFECTUEE A DIFFERENTES ECHELLES, GRACE A L'UTILISATION DE NOMBREUSES TECHNIQUES EXPERIMENTALES COMPLEMENTAIRES : A L'ECHELLE MACROMOLECULAIRE, GRACE A L'UTILISATION DE LA SPECTROMETRIE MECANIQUE, ET DE L'ECHELLE MICROSCOPIQUE A MACROSCOPIQUE, LE SUIVI IN-SITU DE L'ENDOMMAGEMENT (AU SENS DE CREATION DU SURFACE) A ETE REALISE PAR EMISSION ACOUSTIQUE ET PAR UNE TECHNIQUE NOUVELLE, DEVELOPPEE AU COURS DE CETTE ETUDE, BASEE SUR DES MESURES DE PROPRIETES ELECTRIQUES. DANS LA DERNIERE PARTIE, UNE APPROCHE QUANTITATIVE A PERMIS UNE MODELISATION PHENOMENOLOQIQUE ET AINSI UNE PREVISION DU COMPORTEMENT A LONG TERME SOUS CHARGE CONSTANTE DES CFRP.
Author: Philippe Fosso Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 136
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La première partie de l'étude a consisté à équiper un scanner ND8000 de machines d'essais mécaniques permettant de procéder à des observations in-situ de l'endommagement. Pour ce faire, des micro-machines de traction, de compression, et de délaminage mode I ont été conçues et construites. Elles fonctionnent à l'intérieur de l'orifice du scanner et sont capables d'appliquer des sollicitations monotones. Leur fonctionnement est compatible avec celui du scanner. Ainsi leur influence sur l'atténuation aux rayons X qui permettent de caractériser les matériaux étudiés est très faible. La seconde partie de l'étude a consisté à étudier l'influence de l'état de contraintes mécaniques sur l'endommagement des élastomères et des matériaux composites à fibre de verre et matrice organique. cette étude est traduite par une analyse des modifications de structure, de la création du dommage, de sa composition et de son évolution au cours des différentes phases du chargement mécanique, à travers l'analyse des profils d'atténuation acquis a ces différentes phases et par la technique d'analyse d'images. Ces deux points constituent l'originalité de ce travail. Une étude comparative de l'état d'endommagement en mesures in-situ, sous contrainte et hors contraintes, est menée et permet de mettre en évidence l'influence de l'état de contraintes mécaniques sur la composition de la zone endommagée et sur la densité tomographique, qui est lie à la microstructure de la zone endommagée. Pour compléter et approfondir les analyses, des études sont menées avec les techniques de contrôle non destructifs telles que la radiographie classique, la transparence, la micrographie et la fractographie. L’utilisation conjointe de la tomographie, de la radiographie et de la transparence permettent de montrer que la zone endommagée en compression a une forme elliptique tridimensionnelle qui est conservée pendant les différentes phases d'évolution de l'état de contrainte mécanique. Ce caractère tridimensionnel de la zone endommagée impose l'utilisation d'une expression du taux de restitution d'énergie par unité de volume endommagée et non celle du taux de restitution pour décrire le comportement du composite. La forme du front de délaminage dans les matériaux composites verre/époxy est parabolique. La taille et la forme de la parabole sont fonction du niveau de chargement et du matériau. Les résultats obtenus sont confrontes a un modèle analytique trouve dans la littérature.
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LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE CERAMIQUE RENFORCEE PAR DES FIBRES CONTINUES SONT DEVELOPPES POUR DES APPLICATIONS THERMOSTRUCTURALES. L'ETUDE DU COMPORTEMENT MECANIQUE VISE D'UNE PART A PROPOSER DES METHODES FIABLES DE DETERMINATION DES PARAMETRES MICROMECANIQUES QUI PERMETTENT L'EVALUATION DES DIFFERENTES NUANCES DU MATERIAU AU COURS DE SA PHASE DE DEVELOPPEMENT. D'AUTRE PART, ELLE A POUR OBJET LA COMPREHENSION DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT OU DE RUPTURE EN RELATION AVEC LA SOLLICITATION MECANIQUE. DANS CE MEMOIRE, NOUS AVONS PROCEDE PAR DES ESSAIS QUASI-STATIQUES EN TRACTION UNIAXIALE COUPLES A LA TECHNIQUE D'EMISSION ACOUSTIQUE POUR IDENTIFIER LES MICROMECANISMES D'ENDOMMAGEMENT ET LEUR SEQUENCE DE DECLENCHEMENT EN FONCTION DE LA CONTRAINTE DANS LE CAS DES MATERIAUX SIC-MAS.L UNIDIRECTIONNEL ET BIDIRECTIONNEL A PLIS CROISES. LE DEVELOPPEMENT DE L'ENDOMMAGEMENT A ETE EVALUE PAR LE NOMBRE DE FISSURES MATRICIELLES TRANSVERSES DANS LES PLIS LONGITUDINAUX ET CORRELE A LA DECROISSANCE DU MODULE D'ELASTICITE LONGITUDINAL. ENSUITE, DANS LE CAS DU COMPOSITE UNIDIRECTIONNEL, L'ANALYSE DE CETTE MULTIFISSURATION A PERMIS L'ESTIMATION DES PARAMETRES MICROMECANIQUES QUI DETERMINENT LE SEUIL D'ENDOMMAGEMENT DU MATERIAU ET SON EVOLUTION SOUS SOLLICITATION MECANIQUE. EN FATIGUE STATIQUE, L'EVOLUTION DE L'ENDOMMAGEMENT DANS LE COMPOSITE SIC-MAS.L (0/90), SUGGERE UNE SENSIBILITE DE LA MATRICE MAS.L A LA CORROSION SOUS-CONTRAINTE. LA COMPARAISON DE L'EVOLUTION DES PROPRIETES MECANIQUES AU COURS DES ESSAIS DE FATIGUE DYNAMIQUE A 1 HZ ET 10 HZ INDIQUE QUE L'EFFET DE FATIGUE DYNAMIQUE DANS CE COMPOSITE DEPEND PEU DE LA DUREE DE L'ESSAI. IL SERAIT PLUTOT DU A UNE MODIFICATION PROGRESSIVE DES PROPRIETES INTERFACIALES AU COURS DU CYCLAGE. DANS LE CAS DES MATERIAUX SIC-SIC 2D STANDARD, L'ETUDE DE LA RESISTANCE A LA PROPAGATION DE FISSURE SUR DES EPROUVETTES CT PERMET D'ACCEDER A DES VALEURS K#R FIABLES SEULEMENT POUR DES EPROUVETTES DE TAILLE W40 MM, DANS LE DOMAINE DE CROISSANCE SOUS CRITIQUE DE FISSURE
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L'objectif du projet de thèse est d'étudier et d'analyser le comportement mécanique à l'impact et en post impact de composites à fibres végétales. Le déroulement de cette thèse nécessite : L'élaboration et la caractérisation des matériaux de l'étude : Les matériaux de l'étude seront constitués de tissus à fibres végétales (lin et/ou chanvre) imprégnées de résine thermodurcissable (de type époxyde) ou thermoplastique (de type PP ou PLA). Ceux-ci seront fabriqués sous forme de plaque par la technique d'infusion sous vide ou la technique de la thermocompression, en fonction du type de résine. La caractérisation mécanique sera effectuée à partir d'essais mécaniques statiques et d'essais d'impact avec une tour de chute (à plusieurs niveaux d'énergie). Celle-ci sera d'abord menée sur des éprouvettes modèles (non impactées et non vieillis, sans et avec renfort fibreux) puis sur des éprouvettes dégradées (impactées à chaque niveau d'énergie et vieillis en humidité et température). La caractérisation de l'endommagement : Elle permettra, à partir des analyses d'images associées aux techniques de l'émission acoustique, de localiser et d'identifier les différents mécanismes d'endommagement intervenant dans ces matériaux au cours des diverses sollicitations choisies. Cette étude conduira à définir le degré de nocivité de ces endommagements tout en associant à la démarche l'influence des paramètres microstructuraux tels que la nature du renfort fibreux et des constituants (résine et fibres). L'identification de modèles de comportement : Il s'agit de proposer une méthode d'identification des paramètres matériaux de modèles de comportement tenant compte de l'endommagement au niveau de la microstructure du matériau (résine et torons de fibres). Cette étude conduira à la mise en œuvre d'une méthode de type recalage de modèles éléments finis en utilisant les bases de données expérimentales constituées notamment des mesures de champs cinématiques. L'objectif à terme est de disposer de modèles fiables et prédictifs pour le calcul de structures de ces matériaux dans l'industrie.
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Une approche générale de l'endommagement des matériaux composites céramique-céramique à fibres est présentée. Des outils de modélisation du comportement jusqu'a rupture, sous chargements complexes, ont été mis en place et appliques aux deux composites étudies (sic-sic tisse et sic-masl stratifié), en tenant compte de la différence de comportement entre traction et compression (due a l'état des fissures, ouvertes ou fermées). Des essais de traction-compression a température ambiante ont été réalises sur ces deux composites, pour différents empilements. Pour le sic-sic tisse, un premier macro-modèle isotrope a montre ses limites dans la description des réseaux de fissures et des chargements complexes. Ainsi, il a été développé un modèle a endommagement anisotrope, qui inclue deux mécanismes de fissuration: le premier prend en compte les fissures perpendiculaires a la direction principale de chargement, le second les fissures perpendiculaires a la direction des fibres. La difficulté de ce modèle se situe dans son identification: les essais uni-axiaux ne sont pas suffisants. Une méthodologie d'identification, comportant un essai biaxial, a été mise en place. Cette loi de comportement a été incluse dans un logiciel permettant de simuler le comportement du matériau sous chargements complexes (comme par exemple un essai de pression interne sur tube), et d'en déterminer les valeurs a rupture. La comparaison avec des essais biaxiaux, réalises au LCTS bordeaux, a permis de vérifier le modèle qualitativement. Le sic-masl se présentant sous forme d'un stratifié, c'est la monocouche qui a été modélisée. Ce méso-modèle comprend trois variables scalaires d'endommagement. Une homogénéisation classique de type stratifie permet de retrouver le comportement global de tous les types d'empilements. L'identification et la vérification du modèle ont été effectuées à l'aide de plusieurs de ces empilements
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LA FINALITE DE L'ETUDE EST DE MODELISER ET D'IDENTIFIER LE COMPORTEMENT MECANIQUE, A TEMPERATURE AMBIANTE, DE DEUX MATERIAUX CERAMIQUE-CERAMIQUE, A STRUCTURE TISSEE, OBTENUS PAR C.V.I. DIFFERENTS MODELES DE COMPORTEMENT MECANIQUE SONT PROPOSES, LES PLUS SIMPLES SONT ISOTROPES ET LE PLUS FIN EST UN MESO-MODELE. TOUS CES MODELES ONT POUR BASE LA THEORIE GENERALE DE L'ENDOMMAGEMENT DEVELOPPEE PAR P. LADEVEZE. ILS ONT ETE CONSTRUITS A PARTIR DE L'EXPLOITATION D'ESSAIS MECANIQUES REALISES AVEC UNE METHODOLOGIE PARTICULIERE QUI COMPREND NOTAMMENT DES SUIVIS VISUELS ET ACOUSTIQUES IN SITU SUR DES ESSAIS DE TRACTION HORS-AXES. CES ESSAIS ONT PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE UNE ISOTROPIE DE COMPORTEMENT AVANT ENDOMMAGEMENT ET D'IDENTIFIER TROIS PHASES SUCCESSIVES D'ENDOMMAGEMENT. LES DOMAINES DE VALIDITE DES DIFFERENTS MODELES ONT ETE PRECISES A PARTIR D'ESSAIS DE PRESSION INTERNE ET DE TORSION SUR DES EPROUVETTES TUBULAIRES. LA GAMME DE SOLLICITATIONS CHOISIES POUR CES ESSAIS SUR TUBES A AUSSI PERMIS DE VALIDER L'ESSAI IOSIPESCU POUR L'OBTENTION DU MODULE DE CISAILLEMENT ET DE METTRE EN EVIDENCE QUE L'ENDOMMAGEMENT DE CISAILLEMENT EST FORTEMENT LIE AUX ENDOMMAGEMENTS DANS LES DIRECTIONS DES FIBRES
Author: Abir Abdessalem
Author: Abir Abdessalem
Author: Eileen Boissin
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