Modélisation du comportement mécanique de biocomposites hybrides en présence du vieillissement

Modeling the mechanical behavior of biocompositeshybrids in the presence of aging

• Auteur / Autrice : Belahcen Djellouli
• Direction : Rézak Ayad, Mustapha Assarar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, structures
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM) - EA 7548
• Jury : Président / Présidente : Christophe Baley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rézak Ayad, Mustapha Assarar, Houman Borouchaki, Abdelghani Saouab, Wajdi Zouari, Nathalie Leblanc, Hocine Kébir
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Houman Borouchaki, Abdelghani Saouab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Lin

Matériaux -- Fatigue

Matériaux hybrides

Composites à fibres

Mots clés libres

Fibre de lin

Composites hybrides

Durabilité

Modélisation par éléments finis

Couplage mécanique-Diffusion

Flax fibre

Hybrid composites

Durability

Finite element modelling

Mechanical-Diffusion Coupling

Résumé

Les composites renforcés par des fibres naturelles s’imposent aujourd’hui progressivement comme une alternative à certaines fibres synthétiques. L'utilisation des fibres végétales comme renfort permet de combiner le respect de l’environnement et d’avoir de matériaux composites présentant des propriétés mécaniques spécifiques intéressantes. Toutefois, la sensibilité des fibres végétales à l’humidité limite leur utilisation dans les applications structurales. De ce fait, l’hybridation des fibres végétales avec des fibres synthétiques, comme la fibre de verre, peut constituer une des solutions à la variation des propriétés mécaniques des composites à fibres végétales. Dans ce contexte, nous proposons dans cette étude doctorale d’évaluer la durabilité de matériaux composites à fibres de lin, de verre et hybrides lin-verre après leur exposition à un milieu humide à température ambiante.Tout d'abord, les comportements statiques de la résine et des composites hybrides et non hybrides sont analysés. Par la suite, nous évaluons la cinétique de diffusion d'eau dans les composites par identification de leurs paramètres de diffusion 1D et 3D, via une approche d’optimisation basée sur les modèles de Fick et de Langmuir. Ensuite, nous développons et nous implémentons dans le logiciel de calcul par éléments finis ABAQUS deux éléments finis triangulaires de membrane à trois nœuds pour modéliser le comportement hygroscopique des composites de l’étude. Cette modélisation nous permet entre autres d’estimer les paramètres diffusifs radial et longitudinal de la fibre de lin, difficile à déterminer expérimentalement.Après, nous développons et nous implémentons dans ABAQUS des éléments finis triangulaires de membrane à trois nœuds afin de modéliser le comportement hygro-élastique des composites de l’étude. L’objectif de cette partie est d’estimer leur durabilité à travers le calcul des contraintes et des déformations hygroscopiques. Pour cela, des modèles hygro-élastiques découplés et couplés, basés sur le modèle de Fick et de Langmuir, sont considérés.Enfin, nous étudions l’impact de l’humidité sur le comportement mécanique, à travers l’étude de la perte progressive des propriétés élastiques de ces composites.

Natural fibre-reinforced composites are progressively becoming an alternative to certain synthetic fibres. The use of vegetal fibres as reinforcement makes it possible to combine respect of the environment with having composite materials presenting attractive specific mechanical properties.However, the sensitivity of vegetal fibres to moisture limits their use in structural applications. Therefore, the hybridization of vegetal fibres with synthetic fibres, such as glass fibre, can be one of the solutions to the variation of mechanical properties of vegetal fibre composites. In this context, we propose in this PhD study to evaluate the durability of flax, glass and flax-glass hybrid composites after their exposure to a humid environment at room temperature.First, the static behaviour of the resin and the hybrid and non-hybrid composites are analysed. Then, we evaluate the water diffusion kinetics in the composites by identifying their 1D and 3D diffusion parameters, using an optimisation approach based on the Fick and Langmuir models. Then, we develop and implement in the ABAQUS FEA software two triangular three-node membrane finite elements to model the hygroscopic behaviour of the studied composites. This modelling allows us, among other things, to estimate the radial and longitudinal diffusive parameters of the flax fibre, which are difficult to determine experimentally.Then, we develop and implement in ABAQUS three-node triangular membrane finite elements to model the hygroelastic behaviour of the studied composites. The objective of this part is to estimate their durability through the calculation of hygroscopic stresses and strains. For this purpose, decoupled and coupled hygroelastic models, based on the Fick' and Langmuir's model, are considered.Finally, we study the impact of moisture on the mechanical behaviour, through the investigation of the progressive loss of elastic properties of these composites.