Caractérisation expérimentale et numérique de la dégradation des réservoirs hyperbares en composite bobiné soumis à des chocs

Experimental and numerical characterization of degradation on hyperbaric wound composite tanks subjected to shocks

• Auteur / Autrice : Thanh Tung Pham
• Direction : Jean-Claude Grandidier, Damien Halm
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 20/12/2013
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Patrice Bailly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Arrigoni, Mathilde Weber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Casari, Catherine Froustey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Choc (mécanique)

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Composites -- Délaminage

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Composite bobiné

Réservoir hyperbare

Over-wrapped composite

Hyperbaric reservoir

Résumé

Cette étude vise à développer des connaissances sur le comportement d’un réservoir d’hydrogène àhaute pression en composite bobiné (fibre de carbone et résine époxy) soumis à des chocs en service, c'est-àdireà étudier les endommagements générés ainsi que leur évolution et leurs conséquences en service. Dansun premier temps, une étude micrographique sur les réservoirs impactés à des niveaux d’énergiecaractéristiques des chocs habituels de manutention a été réalisée afin d’observer les configurationsd’endommagement induites. Par la suite, différentes techniques d’impact sont comparées pour sélectionnercelle permettant de reproduire ces endommagements représentatifs des chocs subis par les réservoirs sur deséprouvettes prélevées dans des cylindres bobinés. Ces échantillons sont testés en traction monotone afin dequantifier l’abattement des propriétés mécaniques induites par l’endommagement. Puis, une approche demodélisation de l’évolution des dommages d’impact a été développée. Dans un souci de ménager le caractèreopérationnel de l’approche, elle est construite à partir d’outils simples permettant de traduire l’effet de lafissuration matricielle, de la rupture des fibres et du délaminage. Pour décrire la ruine de la structure, uneapproche de type « analyse progressive de la rupture » a été utilisée. Une fois validé sur éprouvette, lemodèle est appliqué au comportement de réservoirs complets afin d’estimer la tolérance aux dommages et deprévoir la diminution de pression d’éclatement provoquée par les chocs.

This study aims to develop knowledge about the behavior of a wound composite high-pressurehydrogen tank subjected to impact in service, that is to say, to study the damage generated and their evolutionand their consequences in service. At first, a micrographic study of reservoirs impacted at energy levelscharacteristic of common in-service shocks is performed to observe damage induced configurations.Thereafter, various impact techniques are compared to select the one able to reproduce this representativedamage on specimens cut from wound composite cylinders. These samples are tested under monotonictension to quantify the reduction of the mechanical properties induced by damage. Then, a model for theevolution of impact damage is developed. In order to maintain the operational nature of the approach, it isbuilt from simple tools to capture the effect of matrix cracking, fiber breakage and delamination. To describethe collapse of the structure, a "progressive failure analysis" is used. Once validated on specimens, the modelis applied to the behavior of wound composite tanks to estimate damage tolerance and predict the burstpressure decrease caused by shocks.