Essais à hautes températures sur des composites à matrice céramique : de la mesure de champs régularisés à l’identification de paramètres thermomécaniques

High-temperature tests for ceramic matrix composites : from full-field regularised measurements to thermomechanical parameter identification

• Auteur / Autrice : Myriam Berny
• Direction : François Hild
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Charles Passieux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Amiot, Pierre Vacher, Vincent Herb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Amiot, Pierre Vacher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Effets des hautes températures

Composites à matrice céramique

Incertitude de mesure

Corrélation d'images numériques

Mots clés libres

Corrélation d’Image Numérique

Composites SiC/SiC

Décomposition modale

Brume de chaleur

Quantification d’incertitudes

Méthodes d’identification

Digital Image Correlation

SiC/SiC composites

Modal decomposition

Heat haze effect

Uncertainty quantification

Identification procedures

Résumé

Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de mesure de champs par corrélation d’images numériques (CIN) à haute température couplée à des mesures thermiques sur une éprouvette technologique en CMC sollicitée dans des conditions thermiques représentatives d’un environnement moteur et de mettre en place une méthodologie d’identification des propriétés thermiques et thermomécaniques du matériau, en quantifiant à chaque étape de la chaîne les incertitudes associées aux quantités d’intérêt et en les réduisant. Il a pour cela été nécessaire de traiter les défis inhérents à la CIN à chaud, que ce soit au niveau de l’acquisition des images (saturation, perte du contraste) ou de la mesure (artefacts dus à l’effet mirage, aussi appelé ''brume de chaleur'').Ces travaux ont ainsi donné lieu au développement d’un protocole d’étalonnage d’un banc multi-instrumenté par l’utilisation soit d’une mire in-situ, soit par auto-étalonnage en utilisant l’éprouvette elle-même et son environnement. Les mesures de déplacements 3D surfaciques (approches de stéréocorrélation globales) et les mesures thermiques ont permis de mettre en évidence ce phénomène de brume de chaleur. Des stratégies de régularisation spatiotemporelles des déplacements mesurés ont été proposées et ont permis d’obtenir des résultats satisfaisants (réduction significative des incertitudes de mesure). De même, des approches par réduction de modèles (POD) ont permis de traiter les données thermiques et de quantifier les incertitudes associées aux phénomènes convectifs. Enfin, un algorithme de recalage de modèle éléments finis pondéré sur les données de températures et de déplacements a été implémenté en vue d’identifier un ensemble de propriétés thermiques et thermomécaniques, en tenant compte de la sensibilité de chaque paramètre par rapport aux incertitudes de mesures.

The aim of this thesis is firstly to develop procedures of full-field measurements with Digital Image Correlation (DIC), coupled to thermal measurements, suitable for high-temperature experiments on CMC specimens under thermal conditions representative of an engine environment. Secondly, a methodology is proposed for identifying the thermal and thermomechanical properties of the material, quantifying at each stage of the chain the uncertainties associated with the quantities of interest and strategies to reduce them. It was necessary to deal with the challenges due to high temperatures, especially for DIC, either in terms of acquisition (saturation, loss of contrast) or measurement (artefacts due to the mirage effect, also called ''heat haze effect'').This work has led to the development of a calibration protocol for a multi-instrumented bench using either an in-situ calibration target or by self-calibration using the specimen itself and its environment. 3D surface displacement measurements (with global stereocorrelation approaches) and thermal measurements have made it possible to highlight the heat haze effect phenomenon. Spatiotemporal regularisation strategies of the measured displacements were proposed and allowed satisfactory results to be obtained (significant reduction of measurement uncertainties). Similarly, model reduction approaches (POD) have been used to process thermal data and quantify the uncertainties associated with convective phenomena. Finally, a weighted Finite-Element Model Updating (FEMU) algorithm on both temperature and displacement data was implemented in order to identify a set of thermal and thermomechanical properties, taking into account the sensitivity of each parameter with regard to measurement uncertainties.