Thèse soutenue

Analyse et modélisation du comportement mécanique d'un composite renforcé de fibres de carbone, soumis à des chargements complexes

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Auteur / Autrice : François Rasselet
Direction : Jacques RenardSébastien Joannès
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
Date : Soutenance le 14/09/2018
Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
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)
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
Jury : Président / Présidente : Nicolas Saintier
Examinateurs / Examinatrices : Jacques Renard, Sébastien Joannès, Andrea Bernasconi
Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Touchard, Patrick Ienny

Résumé

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L’allègement des structures aéronautiques est aujourd’hui soumis à des contraintes économiques : les matériaux doivent à la fois être plus légers, avoir de bonnes propriétés mécaniques et leurs coûts doivent être réduits. Les matériaux composites à matrice organique renforcée par des fibres courtes de carbone sont de bons candidats pour répondre à ces enjeux. Cependant, le moulage par injection utilisé pour les transformer, génère une microstructure complexe qui influence leur comportement. Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une démarche visant à identifier, étudier, caractériser et modéliser les différentes échelles du matériau : les constituants, la microstructure et le matériau global, afin de proposer une démarche de modélisation basée sur l’enrichissement local du comportement dans le cas de chargements complexes. La sensibilité de la matrice à la pression hydrostatique est identifiée et modélisée à l’aide d’un critère de Drucker-Prager généralisé. A l’aide de celui du composite, un comportement réversible des fibres est identifié. Grâce à des observations en tomographie RX en contraste de phase, l’orientation et la longueur de chaque fibre sont mesurées. Le confinement matriciel, responsable du comportement local et macroscopique du matériau, est étudié par le biais d’une méthode de mesure de la distribution de la fraction volumique locale de fibres dans la microstructure. Une démarche de génération et d’identification d’une cellule élémentaire représentative du comportement unidirectionnel et de la morphologie de la microstructure est développée en champs complets. A la même échelle, un modèle d’homogénéisation utilisant un système de motifs morphologiques représentatif est implémentée et permet de constituer la brique unidirectionnelle du comportement du composite en champs moyens. Une procédure d’intégration de l’orientation et des longueurs réelles de fibres est mise en place afin de simuler le comportement homogène équivalent du composite de l’étude. Cette procédure d’homogénéisation originale en deux étapes est calibrée à de manière globale et locale l’aide d’essais virtuels. Enfin, la démarche est vérifiée sur un essai de structure, sollicitant le composite de manière complexes.