Modélisation thermomécanique d'un composite carbone/carbone à texture complexe

Thermomechanical modeling of a carbon/carbon composite with complex texture

• Auteur / Autrice : Amandine Raude
• Direction : Gérard Louis Vignoles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 28/11/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Composites Thermostructuraux (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Lamon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Louis Vignoles, Jacques Lamon, Pascal Reynaud, Yann Monerie, Guillaume Couégnat, Olivier Caty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Reynaud, Yann Monerie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Traitement thermomécanique

Liaisons carbone-carbone

Mots clés libres

Carbone/carbone

Modélisation multi-échelle

Thermomécanique

Endommagement

Pyrocarbone

Traitement d'images

Caractérisation

Carbon/carbon

Multi-Scale modeling

Thermomechanics

Damage

Pyrocarbone

Image processing

Characterization

Résumé

Les composites C/C sont utilisés dans les domaines du spatial et de l'aéronautique pour leurs excellentes propriétés thermomécaniques depuis la température ambiante jusqu'aux très hautes températures (> 3000°C). Ces matériaux ont une architecture complexe constituée de nappes de fibres stratifiées et aiguilletées. Leur utilisation en zones fortement sollicitées et à haute température nécessite une maîtrise des propriétés thermiques et mécaniques. Actuellement, la conception du matériau se fait de manière empirique et itérative. Pour l'accélérer, le développement d'un modèle numérique multi-échelle prédictif du comportement du composite C/C est proposé. Ce matériau a tout d'abord été caractérisé morphologiquement à ses différentes échelles caractéristiques, les propriétés thermomécaniques de ses constituants élémentaires ont également été identifiées. A l'échelle microscopique, les fils sont représentés de façon homogène et thermoélastique à partir des taux de constituants qui leurs sont associés. A l'échelle mésoscopique, deux aspects morphologiques semblent prédominants : son architecture ainsi que ses porosités et endommagements. Leur effet sur le comportement effectif du composite C/C est étudié dans le but d'évaluer leur influence relative et d'aboutir à une description suffisamment fine de leurs morphologies dans la modélisation effectuée. Un modèle de matériau idéalisé ainsi qu'un modèle basé images ont été développés. La simulation d'essais macroscopiques a révélé que ces deux aspects avaient un effet non-négligeable sur le comportement effectif du composite C/C et ont permis le développement et la validation d'un modèle prédictif multi-échelle de ce matériau, prenant en compte les caractéristiques précédentes, et permettant le lien entre l'échelle de ses constituants élémentaires et celle macroscopique.

C/C composites are used in space and aeronautics for their excellent thermomechanical properties from room temperature to very high temperatures (> 3000°C). These materials have a complex architecture consisting of layers of laminated and needled fibers. Its use in highly stressed areas and at high temperature requires control of thermal and mechanical properties. Currently, the design of the material is done empirically and iteratively. To accelerate it, the development of a multi-scale digital model of the C/C composite is proposed. This material was first morphologically characterized at its different characteristic scales, the thermomechanical properties of its elementary constituents were also identified. At the microscopic scale, the wires are represented homogeneously and thermoelastically from the constituent levels associated with them. At the mesoscopic scale, two morphological aspects seem to predominate: its architecture as well as its porosities and damages. Their effect on the effective behavior of the C/C composite is studied in order to evaluate their relative influence and to arrive at a sufficiently fine description of their morphologies in the modeling carried out. An idealized material model as well as an image based model have been developed. The simulation of macroscopic tests revealed that both aspects had a non-negligible effect on the effective behavior of the C/C composite and allowed the development and validation of a multi-scale predictive model of this material, taking into account the preceding characteristics, and allowing the link between the scale of its elementary constituents and the macroscopic one.