Caractérisation et modélisation de la relation entre l'endommagement et la perméabilité d'un composite stratifié en condition cryogénique

Characterisation and modelling of the relation between damage and permeability in a composite laminate under cryogenic condition

• Auteur / Autrice : Tanguy Briand
• Direction : Christophe Bois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Damien Halm
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bois, Damien Halm, Christophe Bouvet, Jean-Christophe Wahl, Gilles Lubineau, Xavier Colin, Hortense Laeuffer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Halm, Christophe Bouvet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Perméabilité

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Basses températures

Stratifiés

Mots clés libres

Composite stratifié

Cryogénie

Endommagement

Observation sous charge

Perméabilité

Modèle multi-échelle

Transverse cracking

Cryogenic

Damage mechanics

Résumé

Le dimensionnement de réservoirs cryogéniques sans liner pour les lanceurs spatiaux nécessite d’identifier précisément le comportement complexe et multi-échelle d’un composite stratifié ainsi que sa perméabilité en fonction du chargement thermomécanique induit par les très basses températures des ergols liquides ainsi que les efforts dus à la pressurisation et au lancement. L’objectif de ces recherches est donc de proposer un méso-modèle de prédiction de l’endommagement et des chemins de fuite en fonction du chargement appliqué à la structure composite. Le méso-modèle est construit et enrichi à partir de plusieurs protocoles de caractérisation expérimentale du comportement élasto-endommageable du composite stratifié. Dans un premier temps, ces travaux visent à étendre les protocoles de caractérisation existants à température ambiante aux très basses températures. Des observations sous charge par microscopie et tomographie-X sont réalisées sur des éprouvettes droites afin d'identifier et quantifier les cinétiques de fissuration transverse et notamment les effets d’interaction entre plis qui pilotent l'apparition des premiers points de fuite. Par ailleurs, deux essais sur éprouvettes tubulaires est développé afin de mesurer la perméabilité du matériau, mais également localiser et observer les points de fuite sous chargement thermomécanique mono-axial et bi-axial. Afin de compléter et appuyer les observations expérimentales, ces travaux proposent une stratégie de modélisation discrète de l’endommagement d’un composite stratifié à l’échelle mésoscopique en s’appuyant sur la méthode des zones cohésives. Enfin, le méso-modèle d’endommagement proposé dans les études précédentes, basé sur un changement d'échelle avec une équivalence en énergie pour prédire les cinétiques de fissuration, est étendu au domaine des basses températures. Les effets d’interaction entre plis endommagés sont par ailleurs introduits de manière phénoménologique dans le but de prédire les densités de chemin de fuite. Une confrontation entre le modèle et un essai représentatif de l’application industrielle permet d’évaluer la pertinence de la stratégie mise en place.

The design of liner-less cryogenic tanks for the space launchers require to identify accurately the complex and multi-scale behaviour just as the permeability of the composite laminate according to the thermomechanical loading because of the liquid propellant and the pressurisation. The objectives of this study is to propose a damage and leak path predictive meso-model according to the loading applied to the structure. The meso-model is build and enhanced from several experimental protocols to characterise the composite laminate behaviour. First, this research work aim to develop these ambient protocols to the low temperatures. Under-load microscopic observations and X-tomography are used on straight specimen to identify and quantify the transverse cracking process and especially the interaction phenomenon between the damaged plies that pilot the appearance of the first leak path. In addition, two experimental tests is developed on tubular specimen to measure the permeability of the material and the leak path localisation under uni-axial and bi-axial loading. To complete and confirm the experimental observations, we propose a strategy based on the cohesive zone to model the discrete damage of the laminate at the mesoscopic scale. Finally, the proposed predictive meso-model based on a scale changing with an energy equivalence to predict the transverse cracking process is extented to the low temperatures. The interaction effects are included with a phenomenological approach in order to predict the rate of leak path. A confrontation between the model and an industrial application representative test allows evaluating the relevance of strategy.