Rôle de l'endommagement sur la durée de vie en fatigue des matériaux composites stratifiés PDF Download
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L'objet de cette thèse est de proposer et d'identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l'échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l'évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l'étude les mécanismes d'endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d'endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d'endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d'endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul EF.
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L'objet de cette thèse est de proposer et d'identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l'échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l'évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l'étude les mécanismes d'endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d'endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d'endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d'endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul EF.
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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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CETTE THESE A UTILISE LES CRITERES DE WHITNEY ET NUISMER, DE PIPES, ET LES MODELES DE TAN ET DE DEGRADATION PROGRESSIVE PAR CALCUL AUX ELEMENTS FINIS (MDPC) POUR ETUDIER LA RESISTANCE ET LE MECANISME D'ENDOMMAGEMENT DE PLUSIEURS TYPES DE PLAQUES STRATIFIEES PORTANT DES TROUS CIRCULAIRES EN TRACTION MONOTONE. LE COMPORTEMENT DE FATIGUE EN TRACTION DE TROIS STRATIFIES TISSES A EGALEMENT ETE ABORDE. L'ATTENTION A ETE PRINCIPALEMENT CONCENTREE SUR LA CHUTE DE RIGIDITE SECANTE. L'APPARITION ET L'EVOLUTION DES ENDOMMAGEMENTS AU FUR ET A MESURE DU NOMBRE DE CYCLES. LES TRACTIONS MONOTONE ET CYCLIQUE, RADIOGRAPHIE, EMISSION ACOUSTIQUE ET MICROSCOPIE ONT ETE ADOPTES POUR VERIFIER LES RESULTATS PREVUS ET POUR AVOIR LE DETAIL DES MECANISMES DE L'ENDOMMAGEMENT AU SEIN DES MATERIAUX COMPOSITES NON TISSES ET TISSES. LES RESULTATS DANS LE CAS MONOTONE MONTRENT: LES CRITERES UTILISES SONT ASSEZ PRECIS ET SIMPLES A UTILISER; LES MODELES DE TAN MODIFIES DANS CETTE THESE SONT PREFERABLES POUR LES STRATIFIES TISSES ET ORTHOTROPES ET CES MODELES PEUVENT DONNER DES INFORMATIONS SUR L'ENDOMMAGEMENT; LE MDPC EST PREFERABLE POUR SAVOIR LE SUIVI D'ENDOMMAGEMENT; LE MECANISME DE L'ENDOMMAGEMENT DANS LE CAS TISSE EST PLUS COMPLEXE QUE CELUI DANS LE CAS NON TISSE. LES RESULTATS DANS LE CAS CYCLIQUE MONTRENT: LA COURBE RATIONALISEE DE LA CHUTE DE RIGIDITE PEUT SE DIVISER EN TROIS STADES; L'APPARITION ET LA PROPAGATION DES ENDOMMAGEMENTS OBSERVABLES SE PRODUISENT PENDANT LE TROISIEME STADE ET CES ENDOMMAGEMENTS SONT ORIENTES DE PREFERENCE SUIVANT LES PLIS A 90; LA PROPAGATION PEUT AUSSI SE DIVISER EN TROIS STADES, DONT UN STADE STABLE, UN STADE INSTABLE ET UN STADE BRUTAL; LA TENUE EN FATIGUE DES MATERIAUX EST PRINCIPALEMENT DOMINEE PAR LE STADE STABLE PENDANT LA PROPAGATION; LA VITESSE DE L'EVOLUTION DES ENDOMMAGEMENTS EST INFLUENCEE PAR LES SEQUENCES D'EMPILEMENT; IL EXISTE UN SEUIL DE DISTANCE SUR LE LIGAMENT ET UN SEUIL DE DUREE DE VIE AU-DESSUS DESQUELS LA RUPTURE CATASTROPHIQUE SE PRODUIT
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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.
Author: Cheick Ahmed Hyacinthe Sawadogo Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les travaux de cette thèse concernent l'étude expérimentale du comportement en fatigue de matériaux composites sous trois angles différents qui sont la détection et la caractérisation du délaminage, le comportement en fatigue sous sollicitations multiaxiales et enfin l'étude de structures semi-industrielles. Dans un premier temps, une étude bibliographique complétée par une étude expérimentale permet de mettre en évidence que le délaminage est un mode d'endommagement très sévère pour les composites stratifiés et qu'il est nécessaire d'avoir un indicateur fiable de l'endommagement dans les matériaux composites. Dans le second chapitre, le délaminage est étudié en utilisant deux techniques non destructives : l'imagerie ultrasonore et la thermographie infrarouge. L'utilisation de ces deux méthodes couplées à des observations macroscopiques ont permis une évaluation satisfaisante du délaminage. Le troisième chapitre aborde l'étude d'un matériau composite isotrope sous sollicitations multiples monotones et cycliques. Une éprouvette cruciforme a été conçue et fabriquée de manière optimale pour étudier l'influence de l'ajout d'une contrainte moyenne issue d'un effort constant perpendiculaire à l'effort cyclique appliqué, sur le comportement en fatigue. Les résultats des essais ainsi qu'une modélisation numérique ont montré qu'il n'y avait pas d'influence. Le dernier chapitre étudie le comportement en fatigue en flexion trois points d'une éprouvette sandwich utilisée dans le domaine du ferroviaire. Une étude expérimentale et une modélisation numérique ont permis de mettre en évidence l'influence des joints de colle sur le comportement de ce type de matériaux. Les premiers résultats en fatigue sont présentés.
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CE TRAVAIL PORTE SUR L'ENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION TRANSVERSE DE COMPOSITES STRATIFIES A FIBRES LONGUES ET A MATRICE POLYMERIQUE DU TYPE 0#M,90#PS. L'OBJET ESSENTIEL DE CETTE ETUDE EST DE PROPOSER UN MODELE BIDIMENSIONNEL PERMETTANT LA DESCRIPTION PRECISE DE LA REPARTITION DU CHAMP DES CONTRAINTES SUIVANT L'EPAISSEUR DU STRATIFIE ENDOMMAGE PAR FATIGUE. CETTE APPROCHE PERMET D'ETUDIER L'ETAT SATURE DE L'ENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION TRANSVERSE (C.D.S.), DANS LE BUT DE PREVOIR L'APPARITION D'AUTRES TYPES DE DOMMAGES. LES RESULTATS OBTENUS A L'AIDE DE CE MODELE SONT COMPARES AVEC CEUX D'ETUDES EXPERIMENTALES ET CEUX D'APPROCHES ANALYTIQUES OU NUMERIQUES. UN TEL MODELE FOURNIT UNE EXPRESSION SIMPLE DU TAUX DE RESTITUTION D'ENERGIE ASSOCIE A LA DENSITE DE FISSURES, EXPRESSION QUI POURRA ETRE INTRODUITE DANS UNE LOI D'ENDOMMAGEMENT DU TYPE LOI DE PARIS PAR EXEMPLE. LE MEMOIRE COMPORTE AUSSI UNE ETUDE AYANT POUR BUT D'UNE PART DE VALIDER UN PRECEDENT MODELE ELABORE AU SEIN DU LABORATOIRE ET CONCERNANT UNE FISSURE TRANSVERSE ISOLEE NON TRAVERSANTE ET D'AUTRE PART DE COMPARER ENTRE ELLES LES VARIATIONS DU TAUX DE RESTITUTION D'ENERGIE ASSOCIE A LA CREATION DE LA PREMIERE FISSURE TELLES QU'ELLES SONT DECRITES PAR PLUSIEURS APPROCHES. ENFIN, UN DEBUT DE MODELISATION DU RESEAU DES COURBES DE REPARTITION DE L'ENDOMMAGEMENT A PLUSIEURS STADES DE LA DUREE DE VIE EST PROPOSE
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L'objectif final de ce travail est de proposer un outil numérique capable de prédire l'endommagement et la durée de vie en fatigue des matériaux et structures en composite à matrice thermoplastique. Pour ce faire, une étude expérimentale multi-échelle du matériaux PPGF40 (polypropylène chargé en fibre de verre à 40% en masse) est réalisée. Une analyse qualitative, mais aussi quantitative des différents mécanismes d'endommagement se produisant lors d'une sollicitation mécanique a été réalisée à travers des essais de flexion trois points in situ MEB, des essais de fatigue interrompus et des observations des faciès de rupture en monotone et en fatigue. A la lumière de ces essais nous avons conclu que la décohésion de l'interface fibre-matrice et la propagation des fissures à travers les interfaces apparait être le phénomène prépondérant menant à la ruine du matériau et cela indépendamment de l'orientation des fibres et du mode de sollicitation monotone ou fatigue. La démarche hybride proposée est basée sur un modèle micromécanique / phénoménologique permettant de prendre en compte l'endommagement à l'interface fibre-matrice et la plasticité de la matrice. Pour ce faire, un critère local statistique d'endommagement à l'interface fibre-matrice est introduit dans un modèle de Mori et Tanaka et la linéarisation du comportement plastique de la matrice est réalisée pas à pas, en utilisant une approche en champs moyens avec une formulation sécante. Le modèle micromécanique utilisé permet alors de prédire le comportement du matériau sous chargement monotone et notamment la première perte de rigidité en fatigue. L'analyse des résultats montre que cette dernière est directement liée à la durée de vie en fatigue du matériau. Ainsi, une méthodologie prédictive de la durée de vie est proposée et validée pour différentes configurations microstructurales. Un critère de rupture en fatigue est proposé en fonction du nombre de cycles.
Author: Pierre Duchene Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ce travail de recherche consiste en la proposition d'une nouvelle approche de caractérisation non destructive de l'endommagement des matériaux composites (carbone/époxy) sollicités en fatigue par des essais d'auto-échauffement (blocs de chargements croissants). Cette approche est basée sur l'utilisation de plusieurs techniques non destructives appliquées in-situ, en temps réel ou différé, dont l'analyse est, soit redondante soit complémentaire. Au total, six techniques ont été utilisées (émission acoustique, thermographie infrarouge, corrélation d'images numériques, acousto-ultrasons, ultrasons C-scan et ondes de Lamb) et leurs résultats post-traités puis fusionnés à l'aide d'algorithmes basés sur les réseaux de neurones. Les résultats obtenus ont permis d'évaluer et de localiser l'endommagement du matériau et d'estimer sa durée de vie résiduelle. Ce faisant, plusieurs avancés scientifiques ont été obtenus en réalisant, par exemple, une localisation 2D des évènements acoustiques à l'aide seulement de deux capteurs avec une précision millimétrique, ou encore le développement d'une nouvelle technique imagée d'acousto-ultrasons permettant un contrôle hors contraintes de l'état d'endommagement du matériau, ...et enfin, le pronostic de la durée de vie résiduelle du matériau basé sur une fusion de données par réseaux de neurones.
Author: Damien Caous
Author: Damien Caous
Author: Eileen Boissin
Author: JIAYU.. XIAO
Author: Abir Abdessalem
Author: Cheick Ahmed Hyacinthe Sawadogo
Author: Paul Braisaz-Latille
Author: Jean-Luc Rebière
Author: Amine Imaddahen
Author: 
Author: Pierre Duchene