Rupture des composites tissés 3D : de la caractérisation expérimentale à la simulation robuste des effets d’échelle

Failure of 3D woven composites : from experimental characterization to robust simulation of scale effects

• Auteur / Autrice : Victor Médeau
• Direction : Frédéric Lachaud, Frédéric Laurin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 23/09/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Nadia Bahlouli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Lachaud, Frédéric Laurin, Nadia Bahlouli, Éric Lorentz, Silvestre Taveira Pinho, Carlos G. Dávila, Rodrigue Desmorat, Johann Rannou
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Lorentz, Silvestre Taveira Pinho

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture

Composites tissés

Mots clés libres

Rupture

Composite tissé 3D

Effet d’échelle

Modèle d’endommagement

Régularisation

Taux de restitution d’énergie

Longueur interne

Fracture

3D woven composite

Size effect

Damage Model

Regularization

Fracture toughness

Internal length

Résumé

Ces travaux s’attachent à décrire et quantifier les mécanismes de ruptures des compositestissés 3D sous chargement de traction quasi-statique et à mettre en place une méthode de simulationnumérique adaptée et robuste, pouvant à terme être appliquée en bureau d’études.Dans cette optique, une étude expérimentale a été menée afin de quantifier la propagation defissures dans ces matériaux. Celle-ci a permis de mettre en place un scenario de rupture, entirant parti de la multi-instrumentation des essais. L’étude a également été effectuée sur deséprouvettes de géométries et de tailles variées et a mis en évidence d’importantes variations dutaux de restitution d’énergie avec les conditions d’essai. Un formalisme d’analyse et de modélisationintroduisant des longueurs internes a ensuite été présenté et adapté aux mécanismes derupture des composites tissés 3D. Ce formalisme est étayé par la recherche des mécanismes àl’aide de l’analyse des faciès de rupture. Les longueurs introduites ont ainsi été mises en relationavec les paramètres du tissage. Une méthode d’identification des paramètres a été proposée etles conséquences de ce comportement sur le dimensionnement de pièces composites discutées.Enfin, le transfert de ces résultats a été effectué vers des simulations numériques robustes. Desméthodes de régularisation des modèles d’endommagement continu ont été présentées et évaluéesà l’aune de leur capacité à assurer, d’une part, la robustesse des résultats et, d’autre part,la bonne retranscription des effets d’échelle expérimentaux. La prise en compte de ces considérationsnumériques et physiques nous a amené à proposé un modèle d’endommagement Non-Local.Une méthode d’identification des paramètres et de la longueur interne à partir des données expérimentalesa été proposée.

This work aims to describe and quantify the failure mechanisms of 3D woven composites underquasi-static tensile loading and to implement an adapted and robust numerical simulationmethod, that can be applied in industry. To this end, an experimental study was carried out toquantify the propagation of cracks in these materials. Thus, a crack propagation scenario wasestablished, thanks to the multi-instrumentation used during the tests. The experimental campaignwas carried out on specimens of various geometries and sizes and highlighted significantvariations in the fracture toughness with the test conditions. A modelisation framework introducinginternal lengths was then presented and adapted to 3D woven composites. This frameworkis supported by the identification of the failure mechanisms subsequent to the analysis of thecrack profile. The introduced lengths were thus related to the weaving parameters. A method foridentifying the parameters was proposed and the consequences of this behaviour on the designof the composite parts discussed. Finally, these results were transferred to robust numerical simulations.Regularisation methods of continuous damage models were presented and evaluatedin terms of their ability to ensure, on the one hand, the robustness of the results and, on theother hand, the correct transcription of experimental size effects. Taking into account these numericaland physical considerations led us to propose a Non-Local damage model. A method foridentifying the parameters and the internal length on experimental data was proposed.