Les absorbeurs de chocs en matériaux composites sont capables de dissiper une grande quantité d'énergie, grâce à une compétition de deux mécanismes que sont le délaminage et la fragmentation des plis en compression. Ce second mode de rupture a pour origine le plissement, qui s'initie de façon intrinsèque à l'échelle des fibres. Cette thèse est une contribution à la modélisation multi-échelles de la rupture en compression pour la simulation de structures composites. A cette fin, on propose une stratégie en trois étapes. La première consiste à construire un modèle microscopique capable de représenter la physique du plissement. La difficulté est d'intégrer les influences pertinentes en termes de contrainte ultime et d'énergie absorbée, en particulier l'influence des défauts et du cisaillement. La seconde étape consiste à homogénéiser la réponse de ce micromodèle pour une variété de chargements représentatifs. Un modèle de comportement original et paramétré par les défauts de la microstructure est proposé. Il intègre des lois de comportement déterministes, identifiées par des simulations du micromodèle numérique. Enfin, la troisième étape a pour objet d’intégrer ce comportement basé sur la micromécanique dans un modèle à l'échelle du pli, existant et validé. L'implantation est réalisée dans le cadre d’un code de calcul hybride continu/discret, pour mener des simulations d'échantillons et observer les interactions entre le plissement et les autres modes de dégradation. / Composite shock-absorbing devices can dissipate a large amount of energy, thanks to the combined action of delamination and fragmentation of the plies in compression. The latter failure mode is due to kinking, which naturally arises at the scale of the fibers. This Ph.D. is a contribution to the multiscale modeling of this phenomenon for the simulation of composite structures. Therefore, three-step-strategy is adopted. The first step deals with the design of a microscopic model able to represent the kinematics and kinetics of kinking. The difficulty is to include all relevant parameters in terms of ultimate stress and dissipated energy, particularly defects and shear. The second step deals with the nonlinear homogenization of the micromodel reponse for several load paths. This is done by postulating an original constitutive model with a parametric influence of defects. It includes deterministic constitutive laws which are identified through numerical tests on the microstructure. Finally, the third step deals with the introduction of this micromechanics-based behavior in an existing and validated model at the scale of the plies. It is implemented in the framework of a hybrid continuous/discrete computation code, in order to perform sample-scale simulations and observe interactions between kinking and other failure mechanisms.

Afin de fiabiliser la démarche de conception par simulation numérique des structures en composites stratifiés, l’industrie a besoin de modèles matériau dédiés pertinents et de code de calcul robustes. L’objectif de ce travail est de répondre à une partie de ces besoins : valider un mésomodèle d’endommagement des stratifiés, celui développé au LMT Cachan, pour le virtual testing. Une démarche de validation est proposée, basée sur le suivi de l’évolution des mécanismes de dégradation dans le matériau jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Elle est ensuite appliquée au modèle sur des essais de tractions sur plaques trouées et d’indentation statique, avec études des effets d’échelle. Le premier cas test montre la capacité du modèle à reproduire le changement de mode de rupture, d’une rupture dominée par la rupture des fibres à celle dominée par le délaminage, mais souligne aussi une certaine faiblesse pour la représentation des zones d’endommagement localisées (splits). Une étude complémentaire, axée sur les mécanismes de fissuration transverse, de délaminage et de leur couplage, permet de corriger en partie le modèle et d’améliorer la compréhension du rôle de ces mécanismes dans la rupture des structures. Pour l’étude de l’indentation, une campagne expérimentale complète est construite et réalisée en collaboration avec le laboratoire ACCIS de Bristol. Elle met en évidence des évolutions de l’endommagement différentes selon l’épaisseur de la plaque, principalement en terme de délaminage. Les premières simulations réalisées montrent une capacité relative du modèle à reproduire l’apparition des dégradations mais aussi des limites numériques du code éléments finis utilisés. / In order to provide reliable numerical simulations for the design of composite structures, both accurate, physically based material models and high performance numerical codes are necessary. The aim of this thesis is to validate one of these models: the LMT damage mesomodel for laminated composites. A new validation process, based on the evolution of the degradation mechanisms in the material up to failure, is defined. This approach is then applied on two chosen test cases: open-hole tensile tests and static indentation tests, focusing on the scaling effects. The first test case highlights the model capabilities to mirror the failure mode change with ply thickness: from a fiber breaking dominated failure to a delamination dominated one. Nevertheless, it also underlines one of the model weaknesses: the bad representation of localised damage such as splits. A study of the transverse cracking, the delamination and their interaction allow to improve the capabilities of the model and to understand in depth the role of these mechanisms in the structure failure. Concerning the static indentation, a complete experimental campaign was built and performed in collaboration with the ACCIS laboratory in Bristol. It brings out different damage evolution depending on plate thickness that can be used to validate the model. The first simulations performed show that the model does not manage to mirror all the experimental observations, and underline numerical limitations of the finite elements code used.

Le dimensionnement des structures composites passe par des modèles numériques toujours plus complexes dont la qualité découle de la capacité à reproduire le comportement du matériau. Pour les composites stratifiés, le comportement en compression dans la direction des fibres s’avère complexe et reste encore mal identifié. Une des principales difficultés pour ce type de sollicitation est la partie expérimentale notamment à cause des effets de structure (flambage et concentrations de contraintes) qui précipitent la ruine des éprouvettes.C’est dans ce cadre que nous proposons une étude expérimentale comportant deux volets. Le premier s’intéresse à la mesure de la résistance en compression sur des éprouvettes saines à travers différents essais (compression pure sur tubes et sur plaques). Il est montré que le comportement jusqu'à rupture est bien identifié. Le second volet vise à montrer que l’endommagement (micro-fissuration de la résine) affecte significativement la résistance en compression sens fibre. Ces résultats permettront une meilleure compréhension de la rupture des stratifiés pour des chargements complexes. / To design composite structures it is required to access materials properties and to understand mechanisms of failure for different types of load. Shear and tensile tests are quite easy to do. That is why ply properties are well identified for these types of load. Yet in the case of compression, experimental methods are complex and then the knowledge of materials properties remains poor.When the slenderness of the specimen is excessive in compression test, buckling will affect the failure. But when the coupon is smaller, stress concentration generates a failure in the clamped-end. Structural effects are here the reason of the failure. It is then not possible to conclude about the materials properties.That is why an experimental study is proposed. This work is divided in two main parts. The first one talk about the measure of the compressive strength on undamaged samples with different geometries. It is shown that the behavior up to failure is well identified. In a second part it is demonstrated that damage decreases significantly the compressive strength. These results will finally be apply to the global design of laminates for any type of load.

L’étude porte sur la propagation lente de fissure à température ambiante dans deux classes de polymères à l’état vitreux : le PMMA et la résine époxy-amine stœchiométrique DGEBA-IPD comme prototypes respectifs de thermoplastique (TP) et de thermodurcissable (TD). Des mélanges TD/TP présentant une séparation de phase de nano-domaines de thermoplastique dans une phase dominante de thermodurcissable ont été aussi explorés en vue de leur intérêt en tant que matrice à morphologie complexe utilisée dans les composites à renfort de fibre de carbone destinés à l’aéronautique. Un montage expérimental original a été développé pour le suivi in situ de propagation lente de fissures, combinant une caméra optique, un microscope à force atomique (AFM) et un échantillon sollicité en géométrie Double Cleavage Drilled Compression (DCDC). La possibilité d’accéder ainsi à une gamme de vitesses de propagation entre le pm/s et le nm/s a permis de mettre en évidence pour la toute première fois un régime de propagation stationnaire dans les thermodurcissables (résines pures et mélanges TD/TP) analogue au comportement établi pour les thermoplastiques, et de le caractériser en termes d’une loi cinétique reliant la vitesse de propagation au facteur d’intensité des contraintes (SIF). L’analyse in situ AFM a de plus permis de caractériser les différentes modalités de déformation à l’échelle de la zone de process en combinant l’imagerie topographique et des techniques de corrélation d’images numériques (DIC). Un modèle de prédiction des énergies de rupture en propagation stationnaire ainsi qu’en régime de stick-slip a été développé, en intégrant les champs de déformation visco-plastiques mesurés dans la zone de process, la vitesse de déformation locale, et la loi de comportement des matériaux mesurée à l’échelle macroscopique. / This work deals with the slow crack growth in glass polymer materials at room temperature, namely PMMA and stoechiometric epoxy-amine DGEBA-IPD resin as archetypes of thermoplastic (TP) and thermoset (TS) respectively. TS/TP blends developing phases separation in nano-domains of thermoplastic during the cure process have also been studied since they are used as matrix with a complex morphology in carbon fibers reinforced composites materials for aircrafts. An innovative experimental setup has been developed for in situ investigation of slow crack growth by combining optical measurements, in situ atomic force microscopy (AFM) and a Double Cleavage Drilled Compression (DCDC) sample. By this way, a steady state crack propagation regime has been highlighted for a first time in thermosets (pure and TS/TP blends) with crack speed ranging from pm/s to nm/s. Thus crack speed and stress intensity factor (SIF) diagrams were established for each material. Furthermore, in situ AFM images allowed characterizing deformations at the process zone scale by combining topographic imaging with Digital Images Correlation (DIC) technique. Finally, we developed a model for predicting fracture energy for steady state propagation and stick-slip regime, based on the visco-plastic strain fields measured round the process zone, the local strain rate, and the constitutive laws of materials measured at the macroscopic scale.

This study investigated the manufacturing process of thermo-set fibreglass nonwoven composites. Techniques of manufacturing nonwoven webs from chopped strands were investigated and from the literature review it was found that the wet laid method was appropriate. The process of manufacturing paper hand sheets from pulp was modified to manufacture flat fibreglass nonwoven webs. The effects of dispersion and fibre length on the quality of these webs were investigated. It was found that the quality of these webs improved due to the dispersion.These nonwoven webs were then impregnated with epoxy resin by using the resin infusion method of vacuum bagging to make composite samples. The effects of dispersion, fibre length and multiple layering on the quality and mechanical properties of these composites were studied. It was found that it is necessary to disperse the fibreglass strands in order to manufacture composites of better quality. The quality and strength of these composites also improved due to the increase in the fibre length and multiple layering. Some initial studies were done to manufacture 3D fibreglass nonwoven webs by using the vacuum forming technique and 3D fibreglass nonwoven composites were also made using these webs. Initial investigation of the physical properties of these 3D composites was conducted and it was found that the void content decreased and the density had slightly increased due to the multiple layering process. This topic can be further investigated in the future.

L'industrie utilise de plus en plus les matériaux composites stratifiés à matrice organique (CMO) pour remplacer les alliages métalliques légers. Avec un rapport résistance/masse supérieur aux alliages métalliques, ces matériaux constituent une véritable alternative pour diminuer le poids des structures. Cependant, la certification des structures en composite est une procédure lourde et complexe. Le Virtual Testing consiste à remplacer une grande partie des essais réels par des simulations numériques en vue de diminuer la quantité d'essais physiques nécessaires pour la certification. Toutefois, les modèles ainsi que les méthodes de calcul utilisés pour les simulations doivent avoir la confiance des autorités de contrôle. On ce concentre ici sur le Méso-modèle Amélioré d'Endommagement des Composites Stratifiés qui, depuis un vingtaine d'années, a démontré être un modèle capable de prendre en compte la plupart de mécanismes de dégradation d'une structure composite. Ce modèle, non linéaire, non local et d'évolution, est défini à l'échelle du pli. La taille des problèmes résultants de la simulation de ce type de modèle est considérable. Dans ces travaux, un grand intérêt a été porté au traitement numérique du modèle. Dans un premier temps, l'intégration du modèle dans un code de calcul a permis d'y apporter des améliorations. En ce qui concerne la méthode de résolution, une méthode de décomposition de domaine permet l'utilisation du modèle pour la simulation de structures de taille moyenne. L'approche proposée permet de surmonter les difficultés liées à l'utilisation d'un modèle non local et non linéaire au sein d'une méthode de décomposition de domaine. / The industry uses more and more organic matrix composite materials to replace the light metallic alloys. With a strenght/mass ratio superior to the metallic alloys, these materials constitute a real alternative to decrease the weight of the structures. However, the certification of composite structures is a heavy and complex procedure. Virtual Testing consists in replacing a big part of the real essays by numeric simulations to decrease the quantity of physical essays necessary for the certification. However, the models as well as the numerical methods used for the simulations have to be trusted by the certification authorities. Here we focus on the Enhanced Damage Mesomodel which, for twenty years, has demonstrated to be a model capable of taking into account most of the degradation mechanisms of a composite structure. This non linear and non local model is defined at the composite layer scale. The size of the problems generated by a simulation with this type of model is considerable. In this work, special emphasis was put on the numerical treatment of the model. At first, the integration of the model in a simulation code allowed us to improve it. With regards to the resolution method, a domain decomposition method allows the use of the model for the simulation of intermediate-sized structures. The proposed approach allows to surmount the difficulties linked to the use of a not local and not linear model within a method of decomposition of domain.

Ces dernières décennies ont vu un renouveau d’intérêt pour les matériaux composites élastiques qui s’avèrent très utiles dans la conception de structures. Pour comprendre le comportement macroscopique de ces matériaux, on fait appel aux méthodes d’homogénéisation. Dans cette thèse, nous nous intéressons à étudier rigoureusement le comportement macroscopique des matériaux composites élastiques périodiques présentant des hétérogénéités à fort contraste dans le cadre de l'élasticité linéaire. Dans un premier temps, nous étudions l’homogénéisation de structures périodiques constituées d’un matériau élastique linéaire isotrope homogène de grande rigidité. Sous certaines hypothèses sur la géométrie des structures considérées, nous montrons que leur étude peut se réduire à l’étude de systèmes discrets correspondant à des réseaux périodiques de nœuds reliés entre eux par des interactions élastiques. Ensuite, en prenant en compte les différents ordres de grandeur des raideurs en extension, en flexion et en torsion, nous montrons que l’homogénéisation des structures considérées peut conduire à des matériaux de « second gradient », c’est-à-dire, des matériaux dont l’énergie élastique homogénéisée dépend des composantes du premier gradient et du second gradient du champ de déplacement. Dans un deuxième temps, nous réalisons des essais de traction sur des structures pantographiques pour étudier la faisabilité des matériaux de second gradient. / Recent decades have seen renewed interest in elastic composite materials that are proving to be very useful in structural design. To understand the macroscopic behavior of these materials, we use homogenization methods. In this thesis, we are interested in rigorously studying the macroscopic behavior of periodic elastic composite materials with high contrast heterogeneities in the framework of linear elasticity. Firstly, we study the homogenization of periodic structures made of a homogeneous isotropic linear elastic material with high rigidity. Under certain hypotheses on the geometry of the considered structures, we show that their study can be reduced to the study of discrete systems corresponding to frame lattices. Then, taking into account the different orders of magnitude of extensional, flexural and torsional stiffnesses, we show that the homogenization of the considered structures can lead to second gradient materials, that is, materials whose homogenized elastic energy depend on the components of the first gradient and the second gradient of the displacement field. In a second step, we carry out tensile tests on pantographic structures to study the feasibility of second gradient materials.

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The influence of crenulated noncircular fibers on the micromechanical stress states due to a transverse strain and to a temperature change in carbon/carbon composites is examined using the finite element method. Stresses at the interface of both fully bonded and fully disbonded fibers having two crenulation amplitudes and with two fiber volume fractions are presented. In each case, these interface stresses are compared to stresses at the interface of circular fibers which have the same degree of disbond and fiber volume fraction and are under the same loading conditions. For the disbonded cases, deformed meshes showing locations of fiber/matrix contact are also included. In addition to the interface stress states, selected composite properties are also computed and compared in each case examined. Interest in studying noncircular fibers stems from a desire to increase the transverse properties of carbon/carbon by introducing a mechanical interlocking between the fiber and the matrix. Results presented here indicate that this interlocking does in fact occur. Evidence from the interface stress data suggests, however, that any possible advantage of this interlocking may be outweighed by the disadvantage of stress concentrations which arise at the interface due to the crenulated geometry of the fibers / Master of Science

The effects of temperature and humidity cycling on mechanical properties of AS4/3501-6 quasi-isotropic composites prepared from unstitched, Kevlar 29 stitched, and S-2 glass stitched uniweave fabric were determined. Data presented include compression strengths and compression-compression fatigue results for environmentally cycled and uncycled composites. Ten1perature cycling ranged from 60°C to -55°C. The relative humidity varied between 95 percent at the high temperature and a percent at the low temperature. Microcracks which were found predominantly around individual stitches were recorded using photomicrographs taken at the end of each cycling period. The glass stitched and Kevlar stitched laminates showed significant microcracking before cycling. The unstitched uniweave material developed microcracks only after cycling. The glass stitched material had lower baseline compression strength than the unstitched and Kevlar stitched materials. Temperature and humidity cycling reduced the static compression strength of the unstitched and Kevlar stitched uniweave materials nearly 10 percent. Under the same conditions the glass stitched uniweave material lost 3 percent of its baseline strength. Combined temperature and humidity cycling did not effect the fatigue properties of the uniweave materials when the test specimens were dried to their original weights before testing. / Master of Science