Les composites avec mesostructure en faisceaux : propriétés élastiques et endommagement

Composites with bundle mesostructure : elastic properties and damage

• Auteur / Autrice : Hana Zrida-Ammar
• Direction : Zoubir Ayadi, Janis Varna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 30/05/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université de technologie de Luleå (Suède)
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Yves Berthaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoubir Ayadi, Janis Varna, Steve Ogin, Povl Bronsted, Ali Kallel, Stepan V. Lomov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Berthaud, Steve Ogin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Textiles et tissus à usages techniques

Élasticité

Composites à fibres

Rupture, Mécanique de la

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Composites à fibres

Mots clés libres

Composites textiles

Endommagement

Mécanique de rupture

Rigidité

Défauts de mesostructure

Textile composites

Damage

Fracture mechanics

Stiffness

Mesostructure defects

Résumé

Les propriétés élastiques et la résistance à l’endommagement des composites textiles avec mesostructure en faisceaux ont été étudiées dans cette thèse. Le premier chapitre de cette thèse traite la modélisation des propriétés élastiques des composites NCF (Non-Crimp Fabric) pour étudier l'effet des défauts de mesostructure sur la dégradation des propriétés mécaniques. Un modèle pour la mesostructure des composites NCF est réalisé pour étudier l'effet de l'ondulation sur la réduction de la rigidité. Cette dernière est dominée par la réduction de la rigidité de la couche 0°. La rigidité effective de la couche 0° peut être déterminée soit par modélisation d'une seule couche ondulée soumise à un chargement réparti, qui reproduit son interaction avec les couches voisines, avec application des symétries dans les conditions aux limites, ou en utilisant une approche de la courbe maîtresse. Une expression analytique est suggérée. Cette expression permet la détermination du facteur de réduction de rigidité pour toute longueur d'onde et amplitude donnés. L’initiation et le développement des endommagements sont présentés dans le deuxième chapitre, où les composites textiles désignés aux applications à haute température ont été étudiés dans des conditions thermiques sévères pour vérifier leur stabilité thermique et leur résistance aux endommagements thermiques. Finalement, la performance mécanique des composites destinés pour les hautes températures, est étudiée, et l'effet du vieillissement thermique a été analysé. Des modèles 3D ont été réalisés par éléments finis pour expliquer l'effet des bords sur l'évolution des fissures observées lors des essaies de traction. En outre, les différences et les similarités au niveau de fissuration dans les différentes couches sont analysés á travers des approches probabilistes (Monte Carlo, Hashin and shear lag) et aussi la mécanique de la rupture

Textile composites with bundle meso-structure have been studied in this thesis for elastic properties and damage investigations. The first chapter of this thesis deals with elastic properties modeling for Non-crimp fabric (NCF) based composites for investigating the effect of meso-structure defects on mechanical properties degradation. The objective of the work is to formulate a model for the NCF composite mesostructure in an attempt to investigate the effect of the waviness on stiffness reduction. The cross-ply NCF composite stiffness reduction is dominated by the stiffness reduction of the 0°-layer. The 0°-layer effective stiffness can be determined either by modeling a single curved tow subjected to distributed load, to reproduce its interaction with the neighboring layers, together with symmetry boundary conditions, or using a master curve approach, where a knock down factor is introduced to characterize the stiffness reduction and analytical expression is suggested. This expression allows for determination of knock down factor for any given wavelength and amplitude of the waviness. The damage initiation and development is presented is the second chapter, where woven fabric composites designated for high temperature application were investigated under severe thermal conditions to study their thermal stability and their resistance to thermal damage. Finally, the mechanical performance of the composites designated to high temperature applications was studied. The effect of aging was also investigated. 3D models were realized with Finite elements in order to explain the edge effect on the evolution of the cracks observed during the tensile tests. In addition, the differences and similarities in cracking in different layers were analysed using probabilistic approaches (a simple one as well as Monte Carlo simulations with Hashin’s and also shear lag model) and fracture mechanics arguments