Approches multiéchelles d'expérimentation et de modélisation pour prédire la rupture d'un composite textile : Critère de classement des architectures tissées

Multiscale experimental and modelling approaches to predict the failure of a textile composite : Criteria for classification of woven fabrics

• Auteur / Autrice : Wassim Trabelsi
• Direction : Lucien Laiarinandrasana, Alain Thionnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) - Centre des Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Yves Rémond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucien Laiarinandrasana, Alain Thionnet, Valérie Miri, Hervé Mathieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Carrère, Jean-Claude Grandidier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Convoyeurs à courroie

Rupture

Textiles et tissus à usages techniques

Textiles et tissus -- Recherche

Mots clés libres

Composite tissé

Approche multiéchelle

Expérimentation

Modélisation

Textile composite

Multiscale approach

Experimental

Modelling

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet globalde collaboration avec le groupe Cobra Europe. La motivation principale estde comprendre et de modéliser les mécanismes physiques de dégradations etde rupture d'un tissu préalablement conçu pour répondre à un cahier des charges identifié.Ce travail poursuit alors les acquis de la thèse de Piezelen s'intéressant aux mécanismes de dégradation conduisantà la ruine d'un tissu et en introduisant des grandeurs susceptibles d'être une aide à leur conception. Un travail d'investigation expérimentale multi-échelle sur tissus vierge et endommagé est d'abord mis en œuvre afin d'analyser et de caractériser les phénomènes dedégradation qui peuvent y apparaître. Les essais mécaniques de traction résiduelle (avec ou sans cyclage préalable) sont réalisés sur bande (échelle macroscopique) pour déceler une chute de la contrainte à rupture. Les observations par tomographie très haute résolution permettent d'accéder au cœur même des constituants du tissu (échelle mésoscopique). Elles ont révélé la cause principale de la ruine d'un tissu :la rupture des fils de chaîne, avec des informations telles que sa localisation ainsi que l'orientation de la normale à la surface de rupture. Un travail de modélisation multiéchelle est ensuite mené sur le tissu afin de rendrecompte des mécanismes de dégradation observés au préalable. Sous des sollicitationsmacroscopiques représentatives des conditions de service avec lesquellesle tissu considéré est utilisé (traction/flexion), la cellule périodiquedu Volume Elémentaire Représentatif est investiguée. Notammentune analyse très complète de l'état de contraintes (hétérogénéité, gradient, triaxialité, orientation préférentielle) est faite dans les fils de renfort.De cela, des grandeurs jugées pertinentes pour analyser n'importe quel tissu sont identifiées.Ces grandeurs sont en accord avec les observations expérimentales. Elles ontpermis finalement de comprendre et d'expliquer le processus de ruine du tissu.Egalement, avec l'expérience acquise tout au long de ce travail, ces mêmesgrandeurs ont été utilisées en vue d'effectuer le classement de deux types d'architectures tissées. Ceci ouvre la voie pour la troisième thèse qui systématisera et affinera la démarche.

This PhD work is part of global collaboration project with Cobra Europe company.The main motivation is to better understand in order to model the physical degradation mechanisms of woven composite with a well specified design.The present work takes benefit of the results issued from Piezelthesis. It aims at investigating the mechanisms of degradation leading to the failure of woven fabrics but also at introducing relevant parameters dedicated to their design.A multiscale experimental investigation on virgin and degraded samples of fabric is first carried out in order to analyze and characterize the damage phenomena observed within these samples.Tensile tests (with or without pre-cycling) were performed on the composite material (at the macroscopic scale) to detect a decrease in the stress at failure. Tomographic inspections with high resolution allowed for observations inside the constituents of the fabrics (mesoscopic scale)Thus, the main origin of the failure of the fabric was revealed : the warp yarn break with its localisation and information about the orientation of the normal to the fracture surfaces. A multiscale modeling was then performed, motivated by the degradation mechanisms observed previously. Under macroscopic loading representative of in service solicitationapplied to the present woven fabric (tension/bending), the periodic cell of theRepresentative Volume Element was investigated. Namely, a complete analysis of the stress state (heterogeneity, gradient, triaxiality, orientation) is carried out within the reinforcing yarns. It turns out that relevant parameters able to analyze any woven fabric were identified. Their characteristics were in good agreement with the experimental evidences. Furthermore, they allowed for a better understanding of the failure process of the fabric. With the experience acquired during the present work, these parameters were utilized to classify two specific woven architectures.This opens the perspective of a third thesis dedicated to refine and render systematic the present approach.