Modélisation et validation expérimentale du comportement thermomécanique de multicouches polymère-composite bobine

Thermomechanical behavior modeling and experimental validation of polymer-wound composite multi-layers. Hydrogen storage application

• Auteur / Autrice : Benoit Gentilleau
• Direction : Jean-Claude Grandidier, Fabienne Touchard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matérieux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Résines époxydes

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Enroulement filamentaire

Couplage thermomécanique

Réservoir hyperbare

Résumé

Le but de ce travail de recherche est d'étudier le comportement thermomécanique des matériaux constituant un réservoir de stockage d'hydrogène de type IV : un composite, assurant la tenue, est bobiné autour du liner polyuréthane qui assure l'étanchéité du réservoir et l'isolation thermique ; aux extrémités, des embases en acier inoxydable sont utilisées pour permettre le raccord du réservoir. Dans ce type de réservoir, lors du remplissage, il y a une augmentation significative de la température de l'hydrogène, entraînant un échauffement progressif de la structure et la présence de gradients de température. Le but de cette étude est principalement de caractériser le comportement d'une telle structure sous chargement thermomécanique complexe. Dans un premier temps, des essais de caractérisation mécanique et thermique ont été réalisés sur toute la plage de température d'utilisation du réservoir afin d'obtenir les données nécessaires à la réalisation d'un modèle numérique thermomécanique. Ensuite , une loi de comportement du composite pouvant être facilement transférable à une structure complexe telle que le réservoir et prenant en compte la non-linéarité, l'endommagement matriciel, la perte de rigidité progressive en cisaillement, ainsi que la thermo-dépendance des paramètres matériaux, est développée. Puis, des essais sur des éprouvettes technologiques représentatives d'un réservoir ont permis de mieux comprendre les mécanismes pouvant apparaître dans le réservoir et de valider le modèle développé. Enfin, une étude numérique d'un réservoir et de l'influence couplée de la température et de l'endommagement matriciel sur le comportement de cette structure a été réalisée.

The purpose of this research is to study the thermomechanical behavior of the constituent materials of a type IV hydrogen storage tank: a composite, ensuring the strength, is wound around the polyurethane liner that ensures sealing of the tank and thermal insulation; at the extremities, stainless steel parts are used to allow the process connection. In this type of tank, during filling, there is a significant increase in hydrogen temperature, resulting in a gradual heating of the structure and the presence of temperature gradients. The purpose of this study is primarily to characterize the behavior of such a structure when subjects to complex thermomechanical loading. Initially, mechanical and thermal characterization tests have been made over the service life range of temperature of the tank to obtain the necessary data for the realization of a thermomechanical numerical model. Then, a behavior law of the composite, easily transferrable to a complex structure such as the whole tank and taking into account the non-linearity, the matrix damage, the progressive loss of shear modulus, and the thermo-dependence of the materials parameters, is developed. The, tests on technological representative specimens have been performed to better understand the mechanisms that can appear in the tank and to validate the model. Finally, a numerical study of a tank was performed. The coupled influence of temperature and damage matrix on the behavior of this structure is analyzed.