Die Arbeit widmet sich der Simulation und der Prognose des Materialverhaltens des Hochleistungsverbundwerkstoffes Textilbeton unter Zugbeanspruchungen. Basierend auf einer hierarchischen mechanischen Modellbildung (Multi-Skalen-Analyse) werden die Tragmechanismen des Verbundwerkstoffes auf drei Strukturebenen abgebildet. Damit lassen sich die den Verbundwerkstoff charakterisierenden mechanischen Kenngrößen aus experimentell ermittelten Kraft-Verschiebungs-Abhängigkeiten ableiten. Diese Kenngrößen sind mit heutiger Messtechnik nicht direkt experimentell bestimmbar. Es wird ein Mikro-Meso-Makro-Prognosemodell (MMM-Prognosemodell) für Textilbeton entwickelt, das basierend auf der Simulation des Mikrostrukturverhaltens das makroskopische Materialverhalten prognostiziert. Die Grundlage dafür bildet die qualitative und quantitative Bestimmung der Verbundeigenschaften zwischen der Filamentbewehrung und der einbettenden Matrix. Für das Verbundverhalten von Rovings in einer Feinbetonmatrix wird, ausgehend von einer Rovingapproximation mit superelliptischem Querschnitt, die partielle Imprägnierung des Rovings und die daraus resultierende Verbundwirkung identifiziert und simuliert. Auf Grundlage der mikro- und mesomechanischen Modelle sowie der Kalibrierung und Verifizierung des MMM-Prognosemodells durch die Simulation von Filament- und Rovingauszugsversuchen wird das makroskopische Zugverhalten von Textilbeton mit Mehrfachrissbildung prognostiziert. Die numerischen Ergebnisse werden durch die Ergebnisse der experimentellen Dehnkörperversuche validiert. Das MMM-Prognosemodell für Textilbeton wird im Rahmen einer hierarchischen Multi-Skalen-Analyse auf Zugversuche von Textilbetonbauteilen angewendet. Weiterhin wird die Verstärkungswirkung einer Textilbetonschicht an Stahlbetonbauteilen unter Biegebeanspruchung zutreffend simuliert. Es wird das nichtlineare Bauteilverhalten abgebildet, wobei die Bauteildurchbiegung, die effektiven Rovingbeanspruchungen und die Beanspruchungen der Filamente im Roving abgebildet werden. / The present work deals with the simulation and the prediction of the effective material behavior of the high performance composite textile reinforced concrete (TRC) subjected to tension. Based on a hierarchical material model within a multi scale approach the load bearing mechanisms of TRC are modeled on three structural scales. Therewith, the mechanical parameters characterizing the composite material can be deduced indirectly by experimentally determined force displacement relations obtained from roving pullout tests. These parameters cannot be obtained by contemporary measuring techniques directly. A micro-meso-macro-prediction model (MMM-PM) for TRC is developed, predicting the macroscopic material behavior by means of simulations of the microscopic and the mesoscopic material behavior. The basis is the qualitative and quantitative identification of the bond properties of the roving-matrix system. The partial impregnation of the rovings and the corresponding varying bond qualities are identified to characterize the bond behavior of rovings in a fine-grained concrete matrix. The huge variety of roving cross-sections is approximated by superellipses on the meso scale. The macroscopic behavior of TRC subjected to tension including multiple cracking of the matrix material is correctly predicted on the basis of the micro- and meso-mechanical models. The calibration and verification of the MMM-PM is performed by simulations of roving pullout tests, whereas a first validation is carried out by a comparison of the numerical predictions with the experimental data from tensile tests. The MMM-PM for TRC is applied to tensile tests of structural members made of TRC. Furthermore, a steel-reinforced concrete plate strengthened by a TRC layer is accurately simulated yielding the macroscopic deflection of the plate, the mesoscopic stress state of the roving and the microscopic stresses of the filaments.

Textilbewehrter Beton ist ein Verbundwerkstoff aus einer Feinbetonmatrix und einer kraftgerichteten textilen Bewehrung aus ARGlasfaser- oder Carbongelegen. Die heterogene Materialstruktur der textilen Bewehrung im Verbundbaustoff Textilbeton führt zu einem komplexen Tragverhalten mit einer Vielzahl sich zum Teil gegenseitig in ihrer Wirkung beeinflussender Effekte. Aufgrund der abweichenden Material- und Verbundeigenschaften können für die Bemessung von textilbewehrten Betonbauteilen die aus dem Stahlbetonbau bekannten Modelle nicht pauschal übertragen werden. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Erkenntnisse experimenteller Untersuchungen von textilbewehrten Elementen unter Biege- und Querkraftbeanspruchung dargestellt, die Mechanismen des Tragverhaltens beschrieben und empirisch abgeleitete Berechnungsmodelle vorgestellt.

O σχεδιασμός και η ανάπτυξη οικονομικών προϊόντων, με ταυτόχρονη ικανοποίηση των αναγκών για υψηλές επιδόσεις και ασφάλεια αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για τους ερευνητές μηχανικούς και τη βιομηχανία. Ειδικότερα στους τομείς της κατασκευαστικής βιομηχανίας (αεροναυπηγική, ναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, διαστημική) των οποίων τα προϊόντα παράγονται σύμφωνα με τις τεχνολογίες αιχμής, επιζητείται από το μηχανικό να σχεδιάζει νέα προϊόντα με υψηλότερες επιδόσεις, χωρίς να αγνοεί την απαίτηση για μείωση του κόστους και του χρόνου ανάπτυξης αυτών. Η τάση αυτή βρίσκει εφαρμογή κατά κύριο λόγο στην αεροναυπηγική, όπου η μείωση του αξιοσημείωτου κόστους ανάπτυξης νέων αεροσκαφών, χωρίς υποβάθμιση της ασφαλούς και υψηλής ποιότητας τους, αποτελεί βασικό και μόνιμο στόχο. Ο κυριότερος παράγοντας που επιβαρύνει σημαντικά την ανάπτυξη νέων αεροσκαφών, τόσο από πλευράς κόστους, όσο και χρονικά, είναι οι πειραματικές δοκιμές πλήρους κλίμακας η μεγάλης κλίμακας σε συνθήκες λειτουργίας, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το κόστος και το χρόνο ανάπτυξης. Οι συγκεκριμένες δοκιμές συμπεριλαμβάνονται στη διαδικασία του σχεδιασμού, με σκοπό να επαληθεύσουν τα αποτελέσματα των αντίστοιχων δομικών αναλύσεων. Η σημασία των πειραματικών δοκιμών και συγκεκριμένα εκείνων της πλήρους κλίμακας ενισχύεται από το γεγονός ότι επιβάλλονται κατά την πιστοποίηση από τις αρχές Αδειοδότησης, με δεδομένο ότι οι δομικές αναλύσεις της αντίστοιχης κλίμακας (πολύ μεγάλης η πλήρους) δεν παρέχουν ικανοποιητική αξιοπιστία. Η παραπάνω αδυναμία να εξαχθούν ικανοποιητικά αποτελέσματα από τις δομικές αναλύσεις οφείλεται σε δύο βασικά χαρακτηριστικά της ανάλυσης των κατασκευών μεγάλης κλίμακας. Η πρόβλεψη της αστοχίας στις αεροναυπηγικές και άλλες κατασκευές απαιτεί μη-γραμμική ανάλυση, λόγω αιτιών που σχετίζονται με τη συμπεριφορά υλικού (μη-γραμμική συμπεριφορά λόγω ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς μεταλλικών υλικών η λόγω αστοχίας συνθέτων υλικών) ή με τη συμπεριφορά της δομής (γεωμετρική μη-γραμμικότητα, προβλήματα επαφής, κλπ/). Επιπρόσθετα, στις κατασκευές αυτές υπάρχει μεγάλη διαφορά κλίμακας μεταξύ των διαστάσεων της περιοχής έναρξης και αρχικής διάδοσης της τοπικής βλάβης με τις συνολικές διαστάσεις της δομής, οι οποίες σχετίζονται με την τελική αστοχία της κατασκευής. Η προσομοίωση με αριθμητικές μεθόδους, με έμφαση στη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων, της δομικής συμπεριφοράς μεγάλης κλίμακας κατασκευών με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, οδηγεί σε αριθμητικά πρότυπα εκατομμυρίων βαθμών ελευθερίας, τα οποία απαιτείται να επιλυθούν με μη-γραμμικές μεθόδους. Ο συνδυασμός του μεγέθους των προτύπων αυτών με το μη-γραμμικό χαρακτήρα τους, καθιστά το πρόβλημα δυσεπίλυτο έως σήμερα με χρήση συμβατικών μεθόδων και ουσιαστικά αποτελεί την αιτία μη-αξιοποίησης των εικονικών δοκιμών (αριθμητικών αναλύσεων), στην ελαχιστοποίηση ή και την ολοκληρωτική αποφυγή των εκτενών και δαπανηρών πειραματικών δοκιμών. Βάσει των ανωτέρω, σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων, αξιόπιστων και ολοκληρωμένων μεθοδολογιών για τη μη-γραμμική ανάλυση κατασκευών μεγάλης κλίμακας, με κύριο στόχο την ικανοποιητική πρόβλεψη τοπικών φαινομένων που συνδέονται με την έναρξη της βλάβης, αλλά και την ικανότητα να εκτείνονται έως την κατάλληλη κλίμακα (ίσως και την πλήρη), ώστε να καθίσταται δυνατός ο υπολογισμός της δομικής συμπεριφοράς της κατασκευής μέχρι την τελική αστοχία. Στη βάση αυτή, γίνεται ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών δομικής μη-γραμμικής ανάλυσης και προτείνονται κατάλληλες τροποποιήσεις σε ήδη καθιερωμένες μεθόδους, με σκοπό την εφαρμογή τους σε κατασκευές μεγάλης κλίμακας. Λόγω των πλεονεκτημάτων που παρέχονται από την ταχεία και συνεχόμενη εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών (ταχύτητα, μνήμη, λογισμικό) και την ευρεία χρήση εμπορικών πακέτων που βασίζονται στη θεωρία των πινάκων (Πεπερασμένα Στοιχεία, Συνοριακά Στοιχεία, κλπ.), οι παραπάνω μεθοδολογίες χρησιμοποιούνται ευρέως στην πρόβλεψη της δομικής συμπεριφοράς των κατασκευών στη βάση της φιλοσοφίας της ‘εικονικής δοκιμής’. Με δεδομένο ότι οι αριθμητικές μέθοδοι επίλυσης μη-γραμμικών προβλημάτων σε κατασκευές μεγάλης κλίμακας δεν παρέχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα, όπως προαναφέρθηκε, στην παρούσα εργασία αναζητήθηκαν εναλλακτικές μεθοδολογίες και τεχνικές, για την προσέγγιση του τεχνολογικού προβλήματος από τη σκοπιά του μηχανικού και προτάθηκαν αξιόπιστες λύσεις με δυνατότητα εφαρμογής σε βιομηχανικό περιβάλλον. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε αποτελείται από τέσσερις βασικούς άξονες, την γραμμική αριθμητική ανάλυση των τάσεων ολόκληρης της δομής μεγάλης κλίμακας, τον έλεγχο για πιθανή εμφάνιση τοπικής μη-γραμμικής συμπεριφοράς, την τοπική ανάλυση αστοχίας (μη-γραμμική ανάλυση) και μια σειρά κατάλληλων τεχνικών για τον προσδιορισμό της συνεισφοράς των περιοχών με τοπική μη-γραμμικότητα στη δομική συμπεριφορά ολόκληρης της δομής. Όλα τα βήματα της διαδικασίας πραγματοποιήθηκαν στη βάση της μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων. Η γραμμική αριθμητική ανάλυση τάσεων της κατασκευής έγινε με χρήση αριθμητικών προτύπων που προσομοιώνουν ολόκληρη την κατασκευή, χωρισμένων σε τμήματα, ανάλογα με την γεωμετρική επαναληψιμότητα που πιθανώς εμφανίζει η γεωμετρία. Οι τάσεις που υπολογίστηκαν χρησιμοποιήθηκαν στην πρόβλεψη τα εμφάνισης τοπικής μη-γραμμικότητας με τη βοήθεια κατάλληλα ανεπτυγμένων κριτηρίων, ανάλογα με το είδος της μη-γραμμικότητας που μπορεί να εμφανιστεί. Οι περιοχές μη-γραμμικότητας που ανιχνεύονται, ταξινομούνται σε σειρά κρισιμότητας και ανάλογα με το κρίσιμο επίπεδο φορτίου καθεμιάς από αυτές, επεξεργάζονται τοπικά με μη-γραμμικές αναλύσεις για την προσομοίωση της έναρξης και εξέλιξης της τοπικής μη-γραμμικότητας. Για τον υπολογισμό της συνεισφοράς των μη-γραμμικών υποπεριοχών στη δομική συμπεριφορά ολόκληρης της κατασκευής, αναπτύχθηκαν κατάλληλες τεχνικές περιγραφής της τοπικής μη-γραμμικότητας και εισαγωγής τους στα δομικά χαρακτηριστικά του αριθμητικού προτύπου της ολικής κατασκευής. Για την προσομοίωση της εξέλιξης της τοπικής μη-γραμμικότητας, από την πρώτη ανίχνευση μέχρι την τελική εξέλιξη, η διαδικασία εκτελείται βηματικά και επαναληπτικά. Αποδεικνύεται ότι κάτω από συγκεκριμένες παραδοχές, οι μεθοδολογίες για τη δομική μη-γραμμική ανάλυση κατασκευών μεγάλης κλίμακας είναι εφικτό να παρέχουν αξιόπιστα αποτελέσματα αντίστοιχα με εκείνα των πειραματικών δοκιμών πλήρους κλίμακας. Ταυτόχρονα είναι και αποτελεσματικές, δεδομένου ότι έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα, ώστε να εστιάζουν τους διαθέσιμους υπολογιστικούς πόρους μόνο στις κρίσιμες περιοχές, μέσω της κατά απαίτησης εφαρμογής τοπικών μη-γραμμικών αναλύσεων. / The design and development of low-cost products, with simultaneous fulfilment of the requirements for higher performance and safety, is one of the biggest challenges for the research engineers and the industry. Especially in the sectors of the structural industry (aeronautics, shipbuilding, automotive, space industry) where the products are being produced according to the latest achievements of the technology, the engineer is obliged to design new products with higher proficiency, without neglecting the need for lower cost and development time. This trend has great application mainly in the aeronautical industry, where the reduction of the remarkable cost for the development of a new aircraft, without downgrading the level of safety and the quality of service comprises the main target of the current research effort. The main factor that weighs down the development of new aircrafts, as far as the cost and the time is concerned, is the required experimental tests of the full / large scale under service loads, which affect significantly the development cost and the time to market. These tests are included in the design process, in order to verify the results of the corresponding structural analyses. The importance of the experimental tests and specifically these of the full scale level is amplified by the fact that they are being imposed during the certification process by the Airworthiness Authorities, since the structural analyses of the corresponding scale (full scale) do not provide adequate results. The above mentioned inability of the structural analyses of providing adequate results is based on two main characteristics of the large scale structures. Firstly, the failure prediction in aeronautical (among others) structures requires non-linear analysis, for reasons related to the material behaviour (non-linear behaviour due to composite material damage, elastoplastic behaviour of metallic materials) and the structural behaviour (geometrical non-linearity, contact problems). Secondly, in these structures there is great difference between the dimensions of the local damage initiation region and the dimensions of the whole structure, with the latter being related with the total collapse. The simulation with numerical methods, especially with the use of Finite Elements, of the structural behaviour of large scale structures with the above characteristics, leads to million DOFs (Degrees Of Freedom), whose solution requires non-linear numerical methods. The combination of the size of these models with their non-linear nature renders the problem non-solvable using conventional methodologies and is in fact the reason for the, up to now, not thoroughly utilization of virtual testing (numerical simulations), that would lead to the minimization of the number or even to the complete avoidance of the extensive and costly experimental tests. Based on the above, main objective of this Thesis is the development of new, reliable and integrated methodologies for the non-linear analysis of large scale structures, targeting mainly in the satisfactory prediction of phenomena related to the initiation of local damage, but also being able to evolute up to the appropriate scale (maybe full scale), in order to account the structural behaviour of the whole structure up to the total collapse. On this basis, innovative methodologies are being developed for the structural non-linear analysis and appropriate modifications are proposed for already well-established techniques, in order to be applied on large scale structures. Due to the advantages offered from the rapid and constant progress of computers (speed, memory, software) and the wide usage of commercial tools that are based on the matrix theory (Finite Elements, Boundary Elements), the above mentioned methodologies were developed based on the philosophy of ‘virtual testing’. Due to the fact that the numerical solution methods for non-linear problems in large scale structures are not able to provide adequate results, as mentioned previously, in the present work alternative methodologies and techniques were investigated, approaching the technological problem from the engineer’s view and reliable solutions applicable to an industrial environment were proposed. The procedure that was followed consists of four basic keystones: the linear numerical stress analysis of the whole structure, the check for possible local non-linear behaviour, the local damage analysis (non-linear analysis) and a series of appropriately configured sub-routines, able to redefine the contribution of the regions exhibiting local damage in the structural behaviour of the whole structure. All the routines of the proposed methodologies were accomplished using the commercial Finite Element code ANSYS. The linear numerical stress analysis of the structure was carried out with the use of numerical models simulating the whole structure, divided into suitable parts, based on the geometrical repeatability. The calculated stresses were utilized for the prediction of the local damage, using properly developed damage criteria, depending on the type of non-linearity. The corresponding regions detected, were classified according to the criticality level (critical load) and were elaborated with local analyses of non-linear nature for the simulation of local damage initiation. For the accumulation of the contribution of the local damage in the structural behaviour of the whole structure, appropriate techniques were developed for the description of the local damage and its incorporation in the structural features of the numerical model of the structure. For the determination of the damage evolution, from the first detection up to the final failure, the procedure was performed in an incremental and iterative way. It was proved, that under specific assumptions, the proposed methodologies simulating the non-linear phenomena of large scale structures are capable of providing accurate results, in accordance with those of the experimental tests of full scale level. Simultaneously, the proposed methodologies become also efficient, providing that they have been developed appropriately, in order to focus the available computer resources on the non-linearly behaving regions by the ‘on demand’ application of the non-linear analyses.

Les procédés de fabrication de pièces mécaniques par enlèvement de matière (tournage, fraisage, perçage, ...) connaissent une utilisation massive dans l’industrie aéronautique et l’automobile. Les pièces obtenues par ces procédés doivent satisfaire à des propriétés géométriques, métallurgiques et à des caractéristiques de qualité. Pour répondre à ces exigences, plusieurs essais expérimentaux basés sur le choix des conditions de coupe sont souvent nécessaires avant d’aboutir à une pièce satisfaisante. Actuellement, ces méthodes empiriques basées sur l’expérience des fabricants et des utilisateurs des outils coupants sont souvent très longues et coûteuses, donnent une large plage de choix des paramètres en fonction de leurs besoins. Toutefois, le coût très élevé d’un essai limite fondamentalement le nombre d’expériences, avoir une pièce respectant les caractéristiques souhaitées avec un coût acceptable devient une tâche difficile. / Manufacturing processes of mechanical parts by removal of material (turning, milling, drilling ...) have extensive use in aeronautic and automobile industry. The components obtained using these methods must satisfy geometric properties, metallurgical and quality characteristics. To meet these requirements, several experimental tests based on the selection of cutting conditions are often necessary before manufacturing. Currently, these empirical methods based on the experience of manufacturers and users of cutting tools (charts, diagrams with experimental findings, ...) are often very lengthy and costly. However, the high cost of a trial limits the number of experiments, so to have a deserted component with an acceptable cost is a difficult task. The importance of cutting conditions monitored by limitations is related to the type of material to be machined, since it determines the behavior of the machining.

L’amélioration des performances des robots est un enjeu important dans le domaine industriel. Les objectifs visés sont l’augmentation de l’espace de travail, de la capacité de charge transportable, de la vitesse de travail et de la précision du robot. Pour atteindre ces objectifs, il faut en général augmenter la rigidité, diminuer la masse et augmenter la capacité d’amortissement du robot. Les robots actuels sont généralement fabriqués en métaux : aluminium ou acier, ce qui limite leurs performances en raison des faibles capacités d’amortissement des vibrations de ces matériaux. Les matériaux composites présentent l’avantage de combiner des matériaux différents, ce qui conduit à une variété de leurs performances. Parmi les types de renforts, les fibres de carbone présentent un module d’élasticité élevé permettant la conception de pièces de grandes rigidités statiques mais elles possèdent une faible capacité d’amortissement. Les fibres végétales, par contre, possèdent une faible densité, de bonnes propriétés spécifiques et des capacités d’amortissement élevées. Cette thèse porte sur l’amélioration des performances d’un robot parallèle 3CRS en utilisant des matériaux composites pour reconcevoir des pièces initialement fabriquées en aluminium. La thèse commence d’abord par une caractérisation des comportements statiques et dynamiques du robot initial constitué de bras en aluminium. Ensuite, la forme des segments des bras robotiques est optimisée par rapport aux sollicitations mécaniques sur le robot. Un nouveau composite stratifié hybride renforcé par des fibres de carbone et des fibres de lin est alors proposé. Cette combinaison permet d’allier les avantages des deux types de fibres dans un composite pour le dimensionnement des composants sous sollicitation élevée. La structure de ce nouveau composite a été optimisée puis un segment est fabriqué pour valider la conception. Finalement, l’étude du nouveau robot avec des bras en matériaux composites a été réalisée, les résultats montrent que la rigidité du robot augmente, sa masse diminue légèrement et sa capacité d’amortissement augmente considérablement par rapport au robot initial. Donc, l’application du composite stratifié hybride peut améliorer les performances statiques et dynamiques et augmenter significativement la précision en fonctionnement du robot 3CRS. / Improvement of the robot’s performances is a major challenge in the industrial field. In general, improvement objectives are increasing workspace, transportable capacity, speed and precision of the robot. To achieve these objectives, it must increase rigidity, reduce weight and increase damping capacity of the robot. Currently, the robots are generally made of metals: aluminum or steel, which limits their performances due to low damping capacity of these materials.Composite materials present an advantage to combine different materials, which leads to a variety of composite material properties. Among the types of reinforcements, carbon fibers show high modulus that enables robotic parts with high static rigidities to be designed. However, carbon fibers have generally a low damping capacity. Natural fibers have low density, good specific properties and high damping capacity.This thesis focuses on the improvement of the performances of the 3CRS parallel robot by using the composite material to redesign robot parts initially made of aluminum. The thesis begins with static and dynamic characterizations of the original robot. Then, the shape of segments of the robotic arms is optimized with respect to applying force on the robot. A hybrid laminated composite reinforced with carbon fibers and flax fibers is proposed for the use. This combination enables to combine the advantages of two fiber types in a composite for using in high loaded components. The structure of the new hybrid laminated composite is optimized and a composite segment is then fabricated in order to validate the design. Finally, the analysis of the new robot with composite arms is executed. The result shows that the new robot has a slightly higher rigidity, lighter mass and considerably greater damping capacity in comparison with the original robot. Therefore, the application of the hybrid composite could improve the static and dynamic performances and increases considerably the accuracy in operation of the robot 3CRS.

Dans le but d’améliorer le comportement thermo-mécanique des aubes de turbine présentes dans les moteurs d’avion développés par SAFRAN, il est nécessaire de mettre au point un nouveau matériau composite. Le procédé de fabrication de ce matériau est complexe et requiert une densification par voie liquide divisée en deux étapes. Cette thèse s’intéresse à la modélisation numérique de la première étape appelée Slurry Cast/APS.Celle-ci consiste en l’injection et le confinement, dans la préforme fibreuse, de particules préalablement mises en suspension. Pour cela, nous avons développé à l’échelle des fibres,un modèle qui utilise les équations de Navier-Stokes incompressibles et monophasiques ,l’équation de Phillips [Phillips et al., 1992] et une loi rhéologique [Krieger, 1972]. Après validation des résultats numériques par comparaison avec des résultats expérimentaux [Hampton et al., 1997] et théoriques [Belfort et al., 1994], le modèle est utilisé pour simuler l’écoulement autour de géométries de tissage proches du matériau étudié. / In order to improve thermo-mechanical behavior of tubine blades in SAFRAN engines plane, a new composite material is necessary. The manufacturing process to obtain this composite is intricate and requires a two steps fluid densification process. This thesis focuses on numerical simulation of the first one called Slurry Cats/APS. In this step, suspended particles are introducted and captured in the reinforcement. For that purpose,we carry out a model at fiber scale, using Navier-Stokes equations in incompressible and monophasic formulation, Phillips equations [Phillips et al., 1992] and a rheological law [Krieger, 1972]. After validation step consisting in a comparison of computational results with experiments [Hampton et al., 1997] and theorical law [Belfort et al., 1994], this model has been used to simulate flow around geometries similar to those encountered in our composite material.

Les matériaux composites organiques pour garniture de frein à friction sont le fruit d’une élaboration complexe, composée d’une succession d’étapes (mélange de constituants, préformage à froid, moulage à chaud, post-cuisson) ce qui rend difficile la maitrise du lien entre procédé, propriétés et comportement de ces matériaux en particulier du fait des synergies entre les constituants formant le mélange d’une part, et entre la composition et le procédé de fabrication d’autre part. Les travaux de thèse se sont focalisés sur deux étapes de fabrication, le moulage à chaud et la post cuisson, avec l’objectif de mieux comprendre l’influence de certains paramètres du procédé de fabrication sur les performances des matériaux : la température et la durée de moulage à chaud, la durée de post cuisson. L’analyse a porté sur la compréhension des liens entre la microstructure, les propriétés, le comportement tribologique et les mécanismes de frottement et d’usure, par le biais d’une démarche expérimentale fondée sur des formulations matériaux simplifiées ainsi que sur des essais d’usure élémentaires, spécifiques aux sollicitations de freinage / Organic composite friction materials for brake lining result from a complex elaboration made up of successive stages (mixture of constituents, cold preforming, hot molding, post-curing) that makes difficult the mastery of the link between process, properties and behaviour of friction material, especially because of synergies between constituents on one hand, and between composition and manufacturing process on the other hand. Two manufacturing stages were involved in this study, the hot molding and the post-curing, with the aim of a better understanding of the influence of certain parameters of the manufacturing process: the temperature and the duration of hot molding, and the duration of post curing. The analysis has focused on the understanding the relationship between microstructure, properties, tribological behaviour and friction and wear mechanisms of materials.The experimental approach was based on the development of simplified formulations of friction material, and on an elementary wear test specifically designed for braking loadings

L’objectif de la thèse « Etude et modélisation des renforcements de chaussées à l’aide de grilles en fibre de verre sous sollicitations de fatigue » est de caractériser le rôle du renforcement de la couche de surface en béton bitumineux d’une structure de chaussée soumise à des sollicitations de fatigue au moyen d’une grille en fibre de verre appelée « géo-grille ». Le comportement en fatigue du composite formé de béton bitumineux et de géo-grille est étudié en laboratoire par des essais de flexion en quatre points (4PB), pilotés en déformation avec un chargement sinusoïdal alterné, à 10°C et 25 Hz. Les éprouvettes testées sont des poutres prismatiques de grandes dimensions 630 x 100 x 100 mm3. Elles sont de deux types : en béton bitumineux (non-renforcées) et en béton bitumineux renforcé par deux géo-grilles (renforcées). Le dispositif d’essais est un banc de fatigue en flexion en quatre points prototype, qui respecte les normes européennes. Les résultats expérimentaux ont été utilisés dans la modélisation de l’évolution de l’endommagement en fatigue de deux types d’éprouvettes. Les lois d’endommagement des matériaux de type Bodin sont implantées dans le code aux éléments finis CAST3M. Deux catégories de modèles ont été conçues, respectivement monocouche et tri-couches. Chaque catégorie comprend un modèle de poutre non-renforcée et un modèle de poutre renforcée. Le modèle de Castro-Sanchez a été testé pour prédire l’endommagement et notamment le nombre de cycles à la rupture pour chaque type de poutre. / The objective of the PhD thesis « Study and modelling of the pavement reinforcement with glass fibre grid under fatigue loading » is to characterize the reinforcement role of the asphalt surface layer of a pavement subjected to fatigue loading with the glass fibre grid or « geo-grid ». The fatigue behaviour of the composite formed of asphalt mixture and geo-grid is studied in laboratory with four point bending tests (4PB) performed with sinusoidal waveform, at 10°C and 25 Hz. The tested specimens are 630 x 100 x 100 mm3 beams of two types: asphalt beams (non-reinforced) and asphalt beams reinforced with geo-grid (reinforced). A four point bending prototype device was designed to perform the fatigue tests on the big size asphalt specimens. The device respects the European Standards. The experimental results were used for modelling of the damage evolution under fatigue loading of the both types of beams. The damage laws of the materials are Bodin laws programmed in Cast3M finite element code. Two categories of models were conceived, respectively: one layer beam models and tri-layers beam models. Each category has a model of non-reinforced beam and a model of reinforced beam. Furthermore, Castro-Sanchez model was used to predict damage evolution and in particular the number of cycles to failure correspondent to the two types of beams.

Ce travail a pour but d'étudier la tolérance à l'impact de 3 stratifiés carbone/époxy soumis simultanément à différents types de chargements hygrothermiques et mécaniques. Ces stratifications présentant des caractéristiques mécaniques globales particulières d'isotropie, il s'agit ici de déterminer l'influence de la séquence d'empilement sur le développement de l'endommagement lors d'un impact. Dans un premier temps, la cinétique de vieillissement hygrothermique des trois stratifications est étudiée et analysée. Ensuite, leur tolérance à un unique impact ainsi qu'à des impacts répétés est évaluée. L'endommagement résultant de ces impacts est analysé par contrôle ultrasonore. La morphologie générale et l'amplitude de l'endommagement dans la profondeur des matériaux sont mises en relation avec les propriétés mécaniques et la séquence d'empilement spécifique à chaque stratifié. Dans un deuxième temps, l'influence combinée de plusieurs sollicitations est étudiée. Différents scénarii associant un vieillissement hygrothermique ainsi qu'un ou deux impacts sont mis en oeuvre. L'endommagement résultant est mis en rapport avec les temps relatifs de vieillissement et la position des impact durant le cycle de vieillissement. Ensuite, l'influence d'une précharge de traction sur la tolérance à l'impact est mise en évidence. Un montage spécifique a été conçu et fabriqué pour réaliser ces tests. Enfin, l'association d'un vieilllissement hygrothermique et d'une précharge de traction est abordée afin d'identifier la sollicitation la plus pénalisant en terme de tolérance et d'impact / This study examines impact damage processes in three types of CFRP composite materials simultaneously subjected to different hygrothermal and mechanical loading conditions. The composite structures tested are chosen for having particular global isotropic responses when loaded, the aim being to ascertain the exact influence of lay-up sequence on impact damage propagation. The work is presented in four main sections. Firstly by establishing hygrothermal ageing dynamics for the three composite structure types and their behaviour when impacted once or several times ; impact damage is measured and analysed using ultrasonic method. The extent and general morphology of the damage through the material thickness is correlated with mechanical properties and lay-up sequence specific to each material. Secondly the influence of simultaneous load combinations is examined. These include different durations of hygrothermal ageing associated with single or double impacts.The resulting damage incurred is analysed with respect to overall ageing time and time during the ageing cycle when the impact was applied. Thirdly the effect of tensile loading during impact on damage within the material was studied. This was achieved using a specially designed test apparatus that allows loading and impacting conditions to be independently modified. By associating a high-speed digital camera to film specimen impacts it is possible to evaluate a relationship between overall composite specimen stiffness and the impact damage. Finally, in order to identify the most unfavourable situation with regard to impact damage resistance an association between hygrothermal ageing and an applied tensile load is examined

Recent developments show the applications of smart structure in different engineering fields. Smart structures can be used for shape and vibration control, structural health monitoring etc. Smart materials can be integrated to composite structure to enhance its abilities. Fiber reinforced composites are the advanced materials of choice in aerospace applications due to its high strength and stiffness, light weight and ability to tailor according to the design requirements. Due to complex manufacturing process and varying operating conditions, composites are susceptible to variation in material properties and damages. The present study focuses on the effect of uncertainties in material properties and damages on a smart composite structure. A cantilevered composite plate with surface mounted piezoelectric sensor/ actuator is considered in this study. The sensors and the actuators are connected through a conventional feedback controller and the controller is configured for vibration control application. Matrix cracks are considered as damage in the composite plate. To study the effect of material uncertainty, probabilistic analysis is performed considering composite material properties and piezoelectric coefficients as independent Gaussian random variables. Numerical results show that there is substantial change in dynamic response of the smart composite plate due to material uncertainties and damage. Deviation due to material uncertainty and damage can be compensated by actively tuning the feedback control system. Feedback control parameters can be properly adjusted to match the baseline response. Here baseline case represents the response of the undamaged smart composite plate with deterministic material properties. The change in feedback control parameters are identified as damage indicator. Feedback control based damage detection method is proposed for structural health monitoring in smart composite structure and robustness of the method is studied considering material uncertainties. Fractal dimension based damage detection method is proposed to detect localized matrix cracks in a composite plate with spatially varying material properties. Variation in material properties follows a two dimensional homogeneous Gaussian random field. Fractal dimension is used to extract the damage information from the static response of composite plate with localized matrix cracks. It is found that fractal dimension based approach is capable of detecting the location of the single and multiple damages from the static deflection curve. Robustness of the fractal dimension based damage detection method is studied considering spatial uncertainties in material properties.