Cette thèse s'inscrit dans le cadre des méthodes de couplage non-intrusives qui permettent de concilier deux types de logiciels : logiciels commerciaux généralistes et logiciels dédiés. L'objectif est d'appliquer un tel couplage pour le traitement des assemblages de plaques stratifiées.En effet, le comportement aux environs des zones critiques de ces matériaux composites nécessite une prise en compte fine (3D) des phénomènes en jeu alors que la pratique industrielle consiste à représenter les structures par des modèles simplifiés de plaques ou de coques.La méthode non-intrusive développée ici permet ainsi de « patcher » virtuellement le modèle plaque par des modèles 3D locaux, de coupler fortement le modèle global avec les patchs, sans modifier les maillages ni les modèles.Diverses stratégies de raccords sont envisagées, ainsi que des améliorations à la technique de couplage. / This thesis is part of the nonintrusive coupling methods framework which allow to merge to kind of software : general commercial software and dedicated software.The aim is to apply such coupling for the analysis of assembly of laminated plates.In fact, the behavior in composite material around critical zones requires to take in account complex phenomena (in 3D), whereas the industrial way of work is to simplify the structure with plate or shell model in order to handle very large structures.The nonintrusive coupling method developed here allow to virtually apply a 3D patch to the plate model in order to enriched the global description without any modification of the global meshes, models, or solver.Various methods of coupling and improvement to the classical nonintrusive coupling are proposed.

Ce mémoire aborde les questions relatives à la mise en place de procédures de conception rapide, fiable et automatisée des volumes élémentaires représentatifs (VER) d’un matériau composite à microstructure complexe (matrice/inclusions), et de la détermination de leurs propriétés homogénéisées ou effectives. Nous avons conçu et développé des algorithmes conduisant à des outils efficaces permettant la génération aléatoire de tels matériaux à inclusions sphériques, cylindriques, elliptiques ou toute combinaison de celles-ci. Ces outils sont également capables d’altérer les inclusions : inflation, déflation, arrachements aléatoires, ondulation et de les pelliculer permettant ainsi de générer des VER s’approchant des matériaux composites fabriqués. Un soin particulier a été porté sur la génération de VER périodiques. Les caractéristiques homogénéisées ou propriétés effectives de matériaux constitués de tels VER périodiques peuvent alors être déterminées selon le principe d’homogénéisation périodique, soit par une méthode basée sur un schéma itératif utilisant la FFT (Transformation de Fourier Rapide) via l’équation de Lippmann-Schwinger, soit par une méthode d’éléments finis. Le caractère aléatoire de la génération nous amène à réaliser des études en moyenne à partir d’un ensemble de paramètres morphologiques déterminé : nombre d’inclusions, type et forme, fraction volumique, orientation des inclusions, prise en compte d’une éventuelle altération. Deux études particulières sur la conductivité thermique apparente ont été menées, la première sur les composites à inclusions sphériques pelliculées de façon à déterminer l’influence de l’épaisseur de la pellicule et la seconde sur les composites de type stratifié en polymère et fibre de carbone, cousu par un fil de cuivre pour évaluer l'apport de la couture en cuivre selon la fibre de carbone utilisée. / This thesis focuses on setting up of fast, reliable and automated approaches to design representative volume elements (RVE) of composite materials with complex microstructures (matrix/inclusions) and the evaluation of their effective properties via a homogenization process. We developed algorithms and efficient tools for the random generation of such materials. Inclusions shapes may be spherical, cylindrical, elliptical or any combinations of them. Inflation, deflation, dislocation, undulation and coating are also available to generate RVE. The aim is to approach realistic materials subjected to be damaged during production. Particular attention has been focused on the periodic RVE generation.The homogenized characteristics or effective properties of materials formed from such periodic RVE may then be determined according to the principle of periodic homogenization, by an iterative scheme using FFT (Fast Fourier Transform) via the integral Lippmann-Schwinger or by a finite elements method.The stochastic generation of RVE and the set of morphological parameters studied: number of inclusions, type and shape, volume fraction, orientation of the inclusions lead to achieve an average process. Moreover, a special study has been led to take into account the behavior of altered inclusions. Furthermore, we studied two particular cases on the apparent thermal conductivity of the composite, the first for coated spherical inclusions in order to determine the influence of the layer thickness and the second for laminated polymer and carbon fiber composite sewn by a copper wire, in order to determine the influence of the sewing contribution according to the carbon fiber used.

L’objet de cette thèse est de proposer et d’identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l’échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l’évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l’étude les mécanismes d’endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d’endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d’endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d’endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul EF / The purpose of this thesis is to propose and identify a model of mechanical fatigue behavior written for the lamina level. The model would be able to predict damage evolution but also residual strength. Studied materials are bi or tri axial glass fibre reinforced plastics fabrics. This work excluded joints areas where out of plane stresses generate strong coupling between intra and inter laminar damage. The main goals of the thesis are: - Identify on the material of the study damage mechanisms and their coupling in quasi-static and fatigue - Characterize and model residual stiffness caused by damage mechanisms - Characterize and model fatigue damage - Characterize and model residual strength caused by damage mechanisms - Implement and test the proposed model (or the one chosen in the literature and changed if necessary) in a computer FE code

Dans un composite stratifié, les plis orientés à 0° par rapport à la direction du chargement pilotent souvent la rupture sous chargement de traction. Les fibres procurent l’essentiel de la rigidité et la résistance de ces plis. Dans ces travaux de thèse, le comportement en fatigue des plis à 0° est analysé dans des stratifiés unidirectionnels (UD) et multidirectionnels, au moyen d’essais de fatigue multi-instrumentés. Un protocole expérimental est mis en place pour éviter les ruptures prématurées typiques des essais sur UD. L’évolution en fatigue des ruptures de fibres est identifiée par leur émission acoustique. Les mécanismes de fatigue dominés par la rupture des fibres sont analysés par un modèle aux éléments finis développé à l’échelle des constituants. / Under quasi-static and fatigue tension loads, the failure of a carbon fibre reinforced polymer laminate (CFRP) is usually driven by 0° plies. Carbon fibres give most of the stiffness and strength of these plies. In this work, the fatigue behaviour of 0° plies inside unidirectional (UD) and multidirectional laminates is analysed via multi-instrumented tension-tension fatigue tests. A numerical and experimental study is addressed to perform fatigue tests without the typical premature failures of the UD laminates. The acoustic emissions technique is used to identify the evolution law of fibre breaks. A finite element model is developed at the microscale (fibres and matrix) to analyse the fibre-driven fatigue mechanisms.

Les composites stratifiés à matrice organique thermodurcissable (TD) et renforts fibreux continus se sont progressivement imposés dans le monde de l’aéronautique depuis bientôt 50 ans. Ces matériaux, malgré de nombreux avantages ayant permis de remplacer les alliages métalliques précédemment utilisés, ont néanmoins un point faible majeur, à savoir une tolérance aux dommages limitée. De nombreuses solutions de renforcement ont vu le jour, dont l’ajout de polymères thermoplastiques (TP) présentant une ductilité supérieure à la matrice TD. Les travaux réalisés concernent une matrice représentative de composites stratifiés employés aujourd’hui. Elle est constituée d’un système époxy-amine menant à un réseau de haute Tg, ainsi que deux TP utilisés comme agents renforçants : un polyéthersulfone (PES) initialement soluble dans le système, et un polyamide (PA) sous forme de microparticules préformées. Un état de l’art sur les mélanges TD/TP cristallins et l’utilisation de TP comme agents renforçants dans les composites stratifiés est présenté en préambule des résultats expérimentaux. L’étude s’est focalisée sur le comportement de ces deux TP vis-à-vis du réseau époxy-amine en construction lors de la polymérisation. L’intérêt porte sur la compréhension des phénomènes reliant les différents composants du mélange entre eux. Dans un premier temps, le comportement du PES dans le système époxy-amine est étudié en fonction des conditions de polymérisation, à savoir le cycle de température appliqué. Le phénomène de séparation de phase induite par polymérisation (RIPS) ayant lieu étant en compétition avec la gélification du réseau TS, et ces deux phénomènes étant liés à la température, différents types de morphologie ont pu être obtenus. L’approche concernant le PA est différente. En effet, ce polymère initialement insoluble dans le système époxy-amine peut être compatibilisé après avoir réagi avec les monomères époxy. De plus, l’affinité physique entre le PA et le durcisseur aminé employé entraîne une modification du comportement du PA à la fusion. Des systèmes binaires modèles époxy-PA et amine-PA ont donc été étudiés pour bien découpler et comprendre toutes ces interactions. Enfin, les morphologies et propriétés résultantes du système époxy-amine modifié simultanément avec le PES et le PA ont été suivies et contrôlées grâce à un choix pertinent de différents cycles de polymérisation. La compréhension du développement d’un mélange si complexe, en termes de morphologie et de mécanismes réactionnels, a été rendue possible grâce aux études préliminaires sur systèmes modèles. / Fiber-reinforced thermosetting (TS) matrix-based composites, and more particularly laminates, have progressively imposed themselves in the aeronautic field for nearly 50 years. Nevertheless, despite numerous advantages making them an elegant solution to replace metallic alloys, such composites have a huge drawback: a low damage tolerance. Various toughening solutions have been developed, including the addition of thermoplastic (TP) polymers which exhibit a much higher ductility than the TS matrix. The present work relates on a representative matrix of currently considered laminates. It is constituted of an epoxy-amine system leading to a high Tg network, and two TP used as reinforcing agents: a polyethersulfone (PES) initially soluble in the system, and a polyamide (PA) preformed in micro-particles. A literature review about TS/semi-crystalline TP blends and TP reinforcement agents used in laminates is given previously to the experimental results. The study focuses on the behavior of these two TP in regard to the growing epoxy-amine network during its polymerization. The interest is put in the understanding of the phenomena linking all the matrix components together. In a first time the PES behavior in the epoxy-amine system dependence on curing conditions (i.e. the applied cure schedule) is studied. The reaction-induced phase separation (RIPS) phenomenon being competitive with the TS network gelation, and taking into account that both phenomena are temperature dependent, various types of morphologies were obtained. Apprehension of PA behavior is different. In fact, this polymer is initially soluble in the epoxy-amine system and may be compatibilized after chemical coupling with epoxy prepolymers. Moreover, physical affinities between PA and the considered amine hardener impact the PA melting behavior. Consequently, binary epoxy-PA and amine-PA model systems have been studied to uncouple and understand all these interactions. Finally, resulting morphologies and properties of the epoxy-amine system, simultaneously modified with both PES and PA, have been monitored and controlled thanks to a choice of suitable cure schedules. The understanding of the development of such a complicated system, in terms of morphologies and curing mechanisms, was made possible thanks to the preliminary studies on the model systems.

Face aux défis environnementaux actuels, les industriels ont mis en œuvre de nouveaux matériaux recyclables et permettant une réduction significative de la masse. Le développement de la résine thermoplastique Elium par ARKEMA s’inscrit dans cette problématique. L’utilisation de cette résine pour la fabrication de pièces composites qui peuvent être sujettes à des dommages d’impact, nécessite au préalable des études, dans le but de comprendre leurs mécanismes de ruine sous ce type de sollicitation. Ainsi, la présente thèse propose une contribution à l’analyse multi-échelle de la tenue à l’impact des composites stratifiés à base de la résine Elium. Une étude expérimentale préliminaire a permis de confirmer la meilleure résistance à l’impact des composites à matrice Elium acrylique, comparativement à celles des composites thermodurcissables conventionnels. Ensuite, les performances à l’impact des composites stratifiés ont été améliorées par l’introduction de copolymères à blocs dans la matrice. Ces derniers sont capables de former des micelles de tailles nanométriques et ainsi d’améliorer la ténacité de la matrice acrylique. Les effets de l’énergie d’impact, de la température et de la composition en nanocharges sur la réponse du matériau composite ont été analysés. Afin de proposer un outil d’aide à la prédiction de la réponse à l’impact des matériaux fibres de verre/Acrylique, deux stratégies de modélisation ont été retenues. La première modélisation (macroscopique) considère le pli tissé du stratifié comme un matériau homogène tandis que la seconde (mésoscopique) utilise une description géométrique de l’ondulation et de l’entrecroisement des torons noyés dans la résine Elium. Ces deux modèles considèrent des zones cohésives à l’interface entre les plis adjacents pour simuler le délaminage interlaminaire. Des essais de délaminage (expérimentaux et numériques) ont permis d’alimenter le modèle d’endommagement de l’interface interplis. D’autre part, des essais de caractérisation du comportement mécanique et de l’endommagement du matériau couplés à l’homogénéisation multi-échelle des matériaux par la Mécanique du Génome de Structure ont permis d’identifier les paramètres du modèle macroscopique. A l’échelle mésoscopique, le modèle géométrique a été réalisé grâce au logiciel Texgen. Ce logiciel permet d’obtenir une description approchée mais réaliste de l’ondulation des torons de fibres. La même description a servi à l’homogénéisation numérique multi-échelle des stratifiés étudiés. La simulation numérique de l’impact basse vitesse a été effectuée au moyen du logiciel d’éléments finis ABAQUS/Explicit. Les modèles de comportement du matériau ont été implémentés via la routine utilisateur VUMAT. Les résultats obtenus offrent une bonne corrélation avec les données expérimentales / In the race for light materials able of meeting modern environmental challenges, an acrylic resin (Elium) has been developed. Elium is a thermoplastic resin able to replace thermosetting matrices, which are widespread nowadays in the industrial world. The present study aims to evaluate the impact resistance and to understand the failure mechanisms of composite laminates based on acrylic matrix under impact loading. We provide a contribution to the multiscale analysis of the impact resistance of laminated composite.First, the impact resistance and the damage tolerance of the acrylic resin based composites were compared with those of conventional composites. Then, the impact performance of the laminated composites has been enhanced by adding copolymer blocks to the liquid acrylic resin. These copolymers are able to form micelles of nanometer sizes, which lead to the improvement of both the acrylic matrix fracture toughness and the impact resistance. The effects of the impact energy, temperature, and composition in nano-copolymers have also been investigated.In order to provide a numerical tool for the prediction of the impact response of the glass fiber/Acrylic laminates, two strategies have been analyzed. The first one, performed at the macroscopic scale, considers the woven ply of the laminate as homogeneous material, and the second one (at the mesoscopic scale), deals with a realistic geometrical description of the yarns undulation. Both models use cohesive zones at the interface between the adjacent plies, to simulate the delamination. For this purpose, experimental and numerical delamination tests were performed to feed the inter-ply damage model. Mechanical tests for material characterization were also performed on specimens in order to identify the ply-damage model parameters. The Mechanics of Structure Genome (MSG) and a finite element based micromechanics approaches were then conducted to evaluate the effective thermomechanical properties of the yarns and the plain woven composite laminate. The realistic topological and morphological textures of the composite were accounted through Texgen software. These numerical impact simulations were performed using the finite element software ABAQUS/Explicit. Both models were implemented through a user material subroutine VUMAT. The obtained results appear in a good agreement with the experimental data and confirm the relevance of the proposed approach.