Modélisation mécanique d'une architecture sandwich Carbone / Carbone

Mechanical modelling of a Carbon / Carbon sandwich architecture

• Auteur / Autrice : Valentin Iallonardi
• Direction : Emmanuel Baranger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 28/04/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MILA - Milieux architecturés
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Hochard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Casari, Jean-Noël Périé, Frédéric Laurin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Casari, Jean-Noël Périé

Mots clés

Mots clés libres

Comportement mécanique

Mécanique expérimentale

Composites Carbone / Carbone

Matériaux sandwich

Conception de montages

Mechanical behaviour

Experimental mechanics

Carbon / Carbon composites

Sandwich materials

Fixtures design

Résumé

Les matériaux composites répondent à la fois à un besoin de performances de plus en plus élevées des structures tout en recherchant une optimisation constante. Dans le domaine de la propulsion aérospatiale, les matériaux composites à matrice céramique occupent depuis longtemps une place privilégiée en raison de leurs excellentes propriétés thermomécaniques. Le projet vise la mise au point d'une modélisation mécanique adaptée à un matériau composite Carbone / Carbone mis en œuvre dans des structures architecturées sous forme de sandwichs (discrétisés en deux peaux composites séparées par une âme). La complexité du matériau et son procédé de fabrication imposent des précautions particulières quant à la caractérisation et l'analyse des propriétés mécaniques. Après qu'une échelle de description a été choisie pour modéliser les différents sous-éléments de la structure sandwich à l'aide d'outils historiques au Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay (comme le méso-modèle d'endommagement de Pierre Ladevèze), une vaste campagne expérimentale a été menée pour identifier les différents paramètres permettant de décrire le comportement mécanique linéaire et non-linéaire de ces sous-éléments. Le comportement (pris plan dans cette étude) des peaux de l'architecture sandwich est étudié à travers des essais de traction dans différentes directions d'anisotropie liées à la méso-structure des peaux, et un montage est développé et testé afin de caractériser les propriétés de cisaillement intra-laminaire à partir d'éprouvettes déséquilibrées. Concernant l'âme de la structure, deux montages de cisaillement sont conçus afin de palier les difficultés de maîtrise du chargement imposé. Les difficultés d'approvisionnement en éprouvettes sandwich Carbone / Carbone n'ont pas permis d'identifier les propriétés de la structure étudiée, mais des essais sur d'autres composites sandwichs permettent de tester le bon fonctionnement des montages. De plus, une approche vibratoire ayant pour but d'identifier les directions d'anisotropie d'âmes de matériaux sandwichs est étudiée, et les premiers résultats obtenus grâce à cette approche sont présentés et critiqués.

Composite materials meet the needs for increasingly high structural performance while at the same time seeking constant optimisation. In the field of aerospace propulsion, ceramic matrix composites have long held a privileged position due to their excellent thermomechanical properties. The project aims to develop a mechanical model adapted to a Carbon / Carbon composite sandwich architecture (discretized in three sub-elements : two composite skins separated by a core). The complexity of the material and its manufacturing process require particular precautions to be taken in the characterisation and analysis of mechanical properties. After a descriptive scale has been chosen to model the various sub-elements of the sandwich structure using tools developed in the Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay (such as the damage meso-model of Pierre Ladevèze), a vast experimental campaign is lead to identify the different parameters that describe both the linear and non-linear behaviour of these sub-elements. The behavior of the Carbon / Carbon skins (considered plane for this study) is identified using tensile tests along different directions of anisotropy related to the meso-structure of the skins, and a fixture is designed and tested in order to characterize the intra-laminar shear properties of the skins using unbalanced specimens. Concerning the core of the structure, two core shear fixtures are designed in order to master the imposed loading. The difficulty in the providing of the Carbon / Carbon sandwich specimens lead to an impossibility to characterize the structure, but tests on other sandwich composites allowed one to test the fixtures. Furthermore, a vibratory approach which aimed to identify the directions of anisotropy of cores of sandwich materials has been developed, and the first results obtained using this method are presented and evaluated.