Les sandwichs composites 3D présentent de meilleures caractéristiques mécaniques que les sandwichs traditionnels, en particulier dans la direction de l'épaisseur. Les structures étudiées dans ce travail sont des sandwichs renforcés via la technologie d’aiguilletage transverse Napco®. Dans un premier temps, une analyse expérimentale complète est réalisée (fabrication des renforts, mise en oeuvre du composite, essais mécaniques de caractérisation, mesure des paramètres géométriques et matériels), permettant une meilleure connaissance et compréhension de l'architecture de ces structures et de leur comportement mécanique. Par la suite, on s'intéresse à la détermination des modules élastiques effectifs des sandwichs, par l'utilisation de différentes méthodes d'homogénéisation (périodique), analytiques et numériques, afin de pouvoir construire un modèle macroscopique équivalent de type plaque. Une attention particulière est portée au comportement hors plan, à savoir au flambement des renforts lors de la compression dans l'épaisseur et à l'importance de la prise en compte des effets du cisaillement transverse. Des modèles analytiques sont développés en 2D et un programme en langage PythonPM (sur Abaqus) permet d'automatiser la modélisation et le post-traitement des résultats lors des calculs numériques par éléments finis. Les résultats obtenus sont validés, soit par des calculs numériques de structures, soit par comparaison à des valeurs expérimentales, pour différents panneaux avec des densités de renforts variées. / 3D composite sandwichs have superior mechanical characteristics compared to usual composite sandwichs, in particular in the through-thickness direction. The structures studied in this work are 3D reinforced sandwichs using the Napco® technology which is based on transverse needling. In a first step, a complete experimental study is realized (creation of the through-thickness reinforcements, composite manufacturing by infusion process, experimental tests, measurement of geometric and material parameters) lead to better understanding of the sandwich architecture and their mechanical behaviour. In a second step, an interest is carried on the determination of the effective mechanical properties of this structures, using different homogenization techniques (periodic), analytical and numerical, in order to assess an equivalent plate model. An interest is devoted to the out-of-plane behaviour such as buckling of the reinforcements during compressive loading in the thickness direction and the importance to take into account the effects of transverse shear. Analytical models have been developed in 2D and a PythonPM program (using Abaqus software) have been created, allowing a fully parameterized modelling and mechanical analysis. The results are finally validated, using numerical computations on 3D heterogeneous structures or by experimental results, for several sandwichs considering different density of reinforcements.

La plupart des outils d’aide à la conception industrielle disponibles aujourd’hui sont basés sur l’utilisation des modèles analytiques et statistiques. Ces modèles permettent de caractériser les relations entre les facteurs de conception et les critères de qualité afin de prédire la qualité d’un nouveau produit sans effectuer de nouveaux essais expérimentaux. Néanmoins, en raison de la complexité du comportement du produit et/ou du procédé, de l’incertitude dans le processus de conception et du faible nombre de données expérimentales, ces modèles classiques sont souvent moins efficaces pour traiter des applications complexes. Dans le cadre de ma thèse doctorale, nous travaillons essentiellement sur la conception des matériaux composites multifonctionnels à base de fibres. Dans ce contexte, nous avons amélioré les outils d’aide à la conception industrielle afin de développer, de façon systématique, des nouveaux matériaux. Pour cela, nous proposons une démarche utilisant non seulement les techniques classiques d’analyse de données, mais aussi les techniques de calcul avancé. En nous appuyant sur ces techniques, nous avons réalisé un système intégral en langage UML et programmation informatique, permettant d’identifier les paramètres pertinents du procédé et de la structure du matériau composite étudié selon les propriétés fonctionnelles souhaitées. Ce système a été appliqué à la maîtrise d’un procédé textile de renfort par aiguilletage et au développement de matériaux biocomposites pour lesquels les performances mécaniques et acoustiques sont pris en compte simultanément. / Most of the industrial design assistant tools that are available nowadays are based on the use of analytical and statistical models. Those methods enable to characterize the relations between the design factors and the quality criterions in order to predict the quality of a new product without doing new experimental tests. Nevertheless, because of the behavioural complexity of the product or the method, the uncertainty in the design process and the weak number of experimental data, those classical models are often less efficient to treat complex applications. As part of my doctoral thesis, we have essentially worked (si tu veux mettre au present we work) on the design of multifunctional composite materials made of fibres. In this context, we have improved the industrial design assistant tools in order to develop in a systematic way, new materials. For this, we propose an approach that not only uses the classical technics of data analysis but also the advanced calculation technics. By using those technics, we realized an integral system in UML language and an oriented object computer programming, that allow to identify the pertinent parameters of the method and of the structure of the composite material studied according to the desired functional properties. This system was applied to the control of a textile reinforcement process by needling and development of biocomposites materials which the mechanical and acoustical performances are simultaneously considered.

Cette thèse a été réalisée au sein du LERMAB et du CETELOR et se consacre à la mise au point de matériaux composites biosourcés à plus de 98%. Des fibres libériennes de type lin, chanvre, kénaf et jute ont ainsi été sélectionnées, caractérisées chimiquement et physiquement. Les renforts en nontissés sont définis ici comme une superposition de voiles (ou nappes de fibres) cohésifs produits par cardage pneumatique et dont la consolidation est réalisée par aiguilletage. Les voies que nous avons choisies au cours de ce travail nous ont permis d'appréhender et de mettre en évidence l'importance de la qualité des fibres sur les propriétés mécaniques et structurales des matériaux développés. Les renforts réalisés dans un premier temps dans une gamme de poids de 200 à 800 g/m² en simple, double ou triple épaisseurs ont ensuite été optimisés dans le but de préserver les propriétés mécaniques des fibres et de permettre une bonne accessibilité de la résine d'imprégnation. Pour limiter les facteurs de complications, les paramètres process ont été limités pour toutes les fibres et composites. Les fibres ont été mises en oeuvre seules ou en mélanges, et imprégnées de matrice à base de résine naturelle tannin de mimosa et d'hexamine (comme durcisseur) ou de résine synthétique de type époxy. Des biocomposites à taux de fibres en masse de plus de 50% et de densité entre 0,9 et 1,2 ont été obtenus. Les modules d'élasticité atteignent 6 GPa en flexion et en traction. Pour les contraintes, les moyennes atteignent 42 MPa et 75MPa respectivement en traction et en flexion / This thesis was carried out within the LERMAB and the CETELOR and about the development of more than 98% biobased composites materials. Bast fibre type flax, hemp, kenaf and jute were selected, characterized chemically and physically. Nonwovens reinforcements are defined here as a superposition of cohesive webs products by pneumatic carding and consolidation by needling. The process we have chosen during this work allowed us to understand and to highlight the importance of the quality of the fibers on the mechanical and structural properties of the materials developed. Reinforcements made initially in a weight range from 200 to 800 g/m² in single, double or triple thicknesses have then been optimized to preserve the mechanical properties of the fibers and allow good accessibility of the impregnating resin. To limit the factors of complications, the process parameters have been limited for all fibers and composites. Fibers have been used singly or in mixtures, and impregnated by a matrix of natural tannin from mimosa and hexamine (as a hardener) or by synthetic resin of epoxy. Biocomposites with a rate of fibre mass over 50%, and density between 0.9 and 1.2 were obtained. Elasticity Modulus reach 6 GPa flexural and tensile. For strenght, averages reach 42 MPa and 75MPa respectively in tensile and bending