Modélisation de la dégradation thermique des composites pour prédire leur réaction au feu lorsqu'ils sont exposés à des flammes

Modelisation of the thermal degradation of composites in order to predict their fire reaction when they are exposed to flames

• Auteur / Autrice : Xuefei Wang
• Direction : Alexis Coppalle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 15/06/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Gaëlle Fontaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Coppalle, Serge Bourbigot, Jean-François Thovert, Jean Lachaud, Franck Richard, Benoit Vieille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Bourbigot, Jean-François Thovert
• DOI : 10.70675/5c01a539ze3b8z4cf0z8e6fz08648d29e38b

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres de carbone

Essais de comportement au feu

Méthodes de simulation

Transfert de chaleur

Transfert de masse

Pyrolyse

Mots clés libres

Flamme de kérosène

Dégradation thermique

Carbon fiber reinforced composites

Fire behaviour

Kerosene flame

Simulation method

Heat transfer

Mass transfer

Thermal degradation

Résumé

Les composites renforcés de fibers de carbone sont de plus en plus populaires dans les applications aérospatiales en raison de leur légèreté et de leurs excellentes propriétés mécaniques. Cependant, leur inflammabilité inhérente rend difficile le maintien de leurs propriétés mécaniques à des températures élevées ou dans des conditions d'incendie, ce qui augmente les risques d'incendie. L'objectif de cette étude est de caractériser le comportement au feu des matériaux composites et de développer un modèle complet pour simuler le transfert de chaleur et les processus de décomposition thermique des composites. Les résultats simulés sont comparés aux résultats expérimentaux. Pour être plus précis, des expériences sont d'abord menées sur des composites thermoplastiques et thermodurcissable à l'aide d'un brûleur à kérosène. Les évolutions de la température et de la masse pendant les expériences sont caractérisées. Après les expériences, les gonflements des échantillons sont mesurés et les fissures internes et la délamination sont observées. Les effets du type de résine, de la séquence d'empilage des plis et de l'épaisseur du matériau sur le comportement au feu sont comparés et analysés. Ensuite, un modèle unidimensionnel est développé dans Porous material Analysis Toolbox based on OpenFOAM (PATO) pour simuler le processus de transfert de chaleur et de masse dans les composites lorsqu'ils sont exposés à une flamme de kérosène. L'effet de chaque paramètre sur la température de la face arrière et la perte de masse est analysé à l'aide d'une méthode d'analyse de sensibilité locale. Enfin, les simulations tridimensionnelles sont effectuées en tenant compte du transfert de chaleur le long du pli. Les effets des paramètres d'entrée sur la distribution de la température sur la face arrière sont également étudiés.

Carbon fiber reinforced composites are becoming increasingly popular in aerospace applications due to their lightweight and excellent mechanical properties. However, their inherent flammability makes them difficult to maintain mechanical properties in high temperatures or fire conditions, which increases the fire risks. The purpose of this study is to characterize the fire behaviour of composite materials and develop a comprehensive model to simulate the heat transfer and thermal decomposition processes of composites. The simulated results are compared with the experimental results. To be specific, first, experiments are carried out on thermoplastic and thermoset composites using a kerosene burner. The temperature and mass evolutions during the experiments are characterized. After the experiments, the swellings of the samples are measured and the internal cracks and delamination are observed. The effects of resin type, stacking sequence of plies and the material thickness on the fire behaviour are compared and analyzed. Then, a one-dimensional model is developed in Porous material Analysis Toolbox based on OpenFOAM (PATO) to simulate the heat and mass transfer process in the composites when exposed to kerosene flame. The effect of each parameter on the backside temperature and the mass loss is analyzed using a local sensitivity analysis method. Finally, the three-dimensional simulations are carried out which consider the heat transfer along the ply. The effects of the input parameters on the temperature distribution on the backside are also investigated.