Ce mémoire s'inscrit dans un projet de recherche qui vise à modéliser un matériau composite tissé taffetas dans le cas d'un écrasement. Les industriels sont intéressés à comprendre les mécanismes d'endommagement des matériaux composites et avoir les différents paramètres mécaniques pour faire une modélisation précise qui tend à représenter le mieux possible le comportement de ces matériaux. Il s'agit d'un composite tissé taffetas stratifié à renforts de fibres de carbone et d'une matrice polymérique en époxyde. Des tests sont effectués en quasi-statique et en dynamique afin d'obtenir les propriétés mécaniques dans les directions principales du matériau. Des tests dans le plan, hors plan et en cisaillement ont été effectués afin de pouvoir modéliser le composite en trois dimensions. De plus, le projet vise à développer des outils qui permettent d'avoir des instruments précis pour la mesure de la force et de la déformation lors d'un test d'impact. De nombreuses méthodes ont été développées pour améliorer la mesure de la déformation et du déplacement en utilisant une caméra haute vitesse. Ensuite, une analyse fréquentielle des montages en dynamique permet de mieux cerner le bruit enregistré durant ces tests et d'utiliser un filtre adéquat pour limiter ces vibrations dans les mesures. Des tests ont confirmé la précision des méthodes développées et sont utilisés pour obtenir les propriétés mécaniques du matériau. En résumé, il semble que certaines directions soient plus influencées par la vitesse de déformation. Les propriétés en traction et en compression hors plan ainsi qu'en cisaillement dans le plan et hors plan varient lors d'un impact. Finalement, un modèle de matériau est implanté dans ABAQUS Explicit pour améliorer la précision des simulations dans le cas d'un chargement de cisaillement dans le plan. Le modèle permet de bien prédire le comportement en cisaillement dans le domaine élastique et lors de l'endommagement. / This thesis is part of a research project aiming to model a plain weave composite material during a crash event. Industrial partners are interested in understanding the damage mechanisms of composite materials and identifying different mechanical parameters to carry out precise modelling to represent the behaviour of this material. The studied material is a laminated plain weave made from carbon fibres and epoxy polymer matrix. Tests are performed in quasi-static and dynamic in order to obtain the mechanical properties in the main directions of the material. In-plane, out-of-plane and shear properties are identified to model the composite in three dimensions. Furthermore, the project aims to develop tools providing precise instruments for load and strain measurements during impact. Many methods have been developed to improve the accuracy of strain and displacement measurements using a high-speed camera. Moreover, a frequency analysis of the dynamic setups is performed to understand the noise acquired during testing and to use an appropriate filter to limit these vibrations in the measurements. Tests have confirmed the accuracy of the developed methods and are used to obtain the mechanical properties of the material. In summary, it appears that certain directions are dependent on the strain rate. Out-of-plane tension and compression as well as the in-plane and out-of-plane shear properties are different during a dynamic load. Finally, a material model is developed in ABAQUS Explicit to improve the accuracy of simulations for in-plane shear loading. The model predicts the shear behaviour in the elastic region and during the damage evolution.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués au sein du département de Génie Mécanique de l’Université Laval dans le cadre du projet « Impact modeling of Composite Aircraft Structure », IMCAS du Consortium de Recherche et d’Innovation en Aérospatiale (CRIAQ). Le but de ces travaux était de créer une loi de comportement pour les composites tissés sec mous et de les implanter dans un élément coque reproduisant le comportement dynamique d’un croisement de fibres dans un pli typique sous impact balistique et en fonction de certains paramètres géométriques propres au tissé. La création d’une loi de comportement de l’usager dans le logiciel d’analyse par éléments finis Abaqus a été nécessaire pour mener à bien ce projet. La méthodologie de développement de la sous-routine de l’usager, qui définit le matériau tissé et est utilisée en conjonction avec l’élément shell S4R, est basée sur les récents travaux de Grujicic et al (1) et Shahkarami et al (2). La validation de ce modèle a été réalisée en vérifiant la validité de sa réponse à certaines sollicitations rencontrées dans des études simples d’impact. Le résultat final de ces tests numériques d’impact a permis de démontrer que nous obtenons des résultats similaires à ceux de Shahkarami pour les mêmes paramètres d’expérimentation. Enfin, après cette dernière validation, nous avons appliqué l’outil développé à l’étude, en dynamique explicite, de l’impact d’une pale de soufflante sur un caisson de confinement hybride. Ce caisson est composé d’une première couche intérieure en coque métallique et sur laquelle s’empilent plusieurs couches de kevlar. Tout au long de ce mémoire, nous avons détaillé toutes les hypothèses, les démarches et les outils utilisés pour réaliser ce travail. Nos résultats montrent finalement qu’il est possible de reproduire les phénomènes physiques à une échelle méso-mécanique lors d’un impact haute vitesse sur un matériau composite tissé multicouche tout en minimisant le temps de calcul nécessaire. / This thesis presents the work that has been carried out inside the Mechanical Engineering Department of Laval University within a CRIAQ project related to Impact Modeling of Composite Aircraft Structure (IMCAS). The main goal of this work was to develop a dry fabric model for ballistic impact application and to implement it into a shell element capable of reproducing the dynamic behavior of a yarn crossover point with due account of some specific geometric and material parameters. The development of a material user subroutine (VUMAT user subroutine) was necessary to carry out this project. The methodology employed for the development of the user subroutine to be used with the S4R shell element available in Abaqus is based upon the works of Grujicic et al (1) and Shahkarami et al (2). The validity of the mesomechanical model created was carried out in order to assess the accuracy of its behavior under elementary loadings. Subsequently, using the same parameters to set up the analysis, the developed model has been applied in simple impact problems in Abaqus to demonstrate that we are able to obtain the same results as in the work of Shahkarami (2) used as a reference. Finally, after this last validation, the model is used in the impact study of an aeronautical engine’s fan blade containment problem using a hybrid casing. In our problem the casing’s inner shell is metallic and multiple Kevlar fabric layers are wrapped around it to contribute to the energy absorption and containment of the fan blade debris released outward at high speed. In this thesis all the assumptions, process and tools necessary to carry out every analysis have been described in details. Our results demonstrate that it is possible to capture the physical phenomenon happening at the yarn’s mesoscopic level during a high-velocity impact on a dry fabric while minimizing the computation time.

L’assemblage des matériaux composites thermoplastiques tel que le PEEK est l’une des problématiques majeure de l’industrie aéronautique. Actuellement, différentes techniques sont développées pour assurer l’assemblage structural de ces matériaux, tels que : le soudage, le rivetage, le boulonnage et le collage. Les enjeux industriels majeurs sont principalement, à l’heure actuelle, la conception des structures simplifiées au maximum afin de réduire les coûts de production et la réduction des consommations énergétiques. A cet effet, l’industrie aéronautique fait fréquemment appel à l’assemblage par collage en raison de nombreux avantages qu’il offre (gain de poids, distribution régulière des contraintes, absence de trous) par rapport aux autres techniques existantes. Le PEEK (PolyEtherEtherKetone), est un matériau polymère semi-cristallin thermoplastique, à hautes performances. Ce matériau est souvent utilise dans l’industrie aéronautique principalement renforce par des fibres de carbone ou de verre. Cependant, du fait du niveau élevé de sa résistance chimique l’assemblage par collage du PEEK et de ses composites nécessitent des traitements de surfaces appropries et optimises. Or, afin d’obtenir un system collé à haute performance, la problématique scientifique et technique doit être concentrée sur la jonction entre les éléments à assembler. En effet, la qualité de cette jonction est de la plus haute importance car elle doit permettre un transfert optimal des contraintes thermomécaniques lorsque l’assemblage est soumis a ses conditions d'usage. Cette étude concerne donc, l’amélioration des propriétés mécaniques (monotones et cycliques) de l’assemblage par collage PEEK/PEEK. Dans cette optique, un traitement de surface simple de mise en œuvre est proposé. Ce traitement est le sablage, qui permet la modification topographique (morphologique) de surface. La compréhension des différents phénomènes d’interaction aux interfaces intervenant dans l’amélioration du comportement mécanique du joint de colle et qui s’inscrit dans la triptyque : « Rhéologie, Physico-chimie et topographie », est l’enjeu scientifique majeur dans cette thèse. Dans un premier temps, l’influence des paramètres du traitement tels que le temps de projection, la taille des particules, sur la morphologie de surface de différents matériaux à base de PEEK a été analysée, permettant ainsi d’établir la corrélation entre les paramètres morphologiques et les mécanismes de modification topographique de surface intervenant pendant le traitement de surface. L’un des facteurs clefs pour la compréhension des mécanismes d’interaction entre l’adhésif liquide et le substrat solide est la mouillabilité. L’analyse du comportement au mouillage en fonction des différents paramètres du traitement a été réalisée. La mouillabilité des surfaces traitées est fortement affectée par la rugosité de surface créée après ce traitement. La relation entre les paramètres morphologiques et la mouillabilité a été discutée. Enfin, l’influence des paramètres du traitement par sablage sur le comportement mécanique monotone et à long terme (essais de fatigue) sur la résistance du joint colle a été étudié à l’aide d’essais de cisaillement sur éprouvettes à simple recouvrement. Ceci a conduit, à la proposition de paramètres morphologiques surfaciques spécifiques pour l’optimisation du comportement mécanique du joint de colle des matériaux composites à matrice PEEK. / One of most problematic in the aeronautical industries is the structural joining of the high performance thermoplastic composites like PEEK composites. Actually, a lot of technologies are used for joining thermoplastic composites like welding, bolting, riveting, fastening and adhesive bonding. Due to the various advantages that characterize the adhesive bonding method, such an uniform stress distribution along the joint, weight‐light and cost reduction, makes this technique more desirable to join thermoplastic composites materials compared to the other joining techniques. PEEK (PolyEtherEtherKetone) is a semi‐crystalline thermoplastic material with high performance. This material is wildly used in aeronautical industries, principally, reinforced with carbon of glass fibres. However, its high chemical resistance makes the adhesive bonding of PEEK and its composites difficult and therefore an appropriate and optimised surface treatment is necessary. In the aim to obtain a bonded system with high performance, scientific and technical problematic should be focussed on the junction between adherents. Indeed, the quality of this junction is of utmost importance because it must allow optimum transfer of thermomechanical stresses when the assembly is subject to its terms of use. Though, at this time it is well known that thermoplastic composite materials are difficult to bond with‐out surface treatment. This study, therefore, relates to the improvement of mechanical properties (monotonic and cyclic) of the adhesive bonding system PEEK / PEEK. In this context, a surface treatment, easy to implement, is proposed. This surface treatment is sandblasting, which enables surface topographic (morphological) modifications. Understanding of various phenomena of interfaces interaction involved in the improvement of the mechanical behavior of the adhesive joint and is part of the triptych "Rheology, Physico‐chemistry and topography" is the major scientific challenge in this thesis. Initially, the influence of processing parameters such as the projection time, the particle size on surface morphology of various materials based on PEEK was analysed, thus allowing establishing the correlation between morphological parameters and modification mechanisms involved during surface treatment surface. One of the key factors for understanding the mechanisms of interaction between the liquid adhesive and the solid substrate is wettability. The analysis of the wetting behavior as a function of various parameters of the treatment was performed. The wettability of treated surfaces is strongly affected by surface roughness created after this treatment. The relationship between morphological parameters and wettability was discussed. Finally, the influence of sandblasting processing parameters on the mechanical behavior in monotoning and long‐term (fatigue tests) of the adhesive joint strength was studied, using single lap shear tests specimens. This has led to the proposal of specific surface morphological parameters for the optimization of the mechanical behavior of the adhesive joint of PEEK and its composites.