L'utilisation de limiteurs de localisation est nécessaire pour prendre en compte l'apparition de macro-fissures lors de la simulation de l'évolution des dégradations dans les matériaux composites stratifiés en accord avec des expérimentations. Ceux-ci introduisent un paramètre qui peut être relié à une longueur, ou un temps caractéristique, qui peut alors être identifié. L'approche introduite au LMT-Cachan consiste, dans le cadre dynamique, à utiliser un modèle d'endommagement retardé. Elle est basée sur le fait qu'une fissure ne peut pas apparaître instantanément. Ce modèle donne d'excellents résultats en restant dans le cadre de la dynamique et a l'avantage d'être local en espace. Cependant il requiert une discrétisation temporelle de la taille du temps caractéristique introduit (de l'ordre de la microseconde pour les composites), qui le rend inexploitable pour des simulations de chargement en quasi-statique. Les simulations dans ces cas de chargement nécessitent donc l'utilisation d'un temps caractéristique différent de celui identifié qui ne permet plus de maintenir un résultat en accord avec l'expérience. On cherche alors à adapter les paramètres de la loi d'évolution de l'endommagement afin d'obtenir une propagation de la macro-fissure dans la zone localisée qui soit compatible énergétiquement avec la mécanique de la rupture en contrôlant le taux de restitution d'énergie. Ce travail est dédié à maintenir l'objectivité de la solution et à adapter l'énergie dissipé à la mécanique de la rupture afin de pouvoir utiliser un temps caractéristique exploitable lors de simulations d'éprouvettes en composites sous un chargement quasi-statique. / The use of localization limiters is needed to take into account the apparition of macro-cracks during the simulation of the evolution of degradations in laminated composite materials with respect to experiments. Those introduce a parameter which can be related to a characteristic length, or a characteristic time, and therefore be identified. The approach introduced at LMT-Cachan is, in dynamics, to use a delayed damage model. It's based on the fact that a crack can't appear instantaneously. This model gives excellent results in dynamics and has the advantage to be local in space. Unfortunately, it requires a time discretization related to the characteristic time introduced (of the order of a microsecond for composites), which is far too computationally expensive for quasi-static simulations. Simulations in these loading cases need the use of a different characteristic time from the one identified which can't maintain anymore a result in accordance to experiments. We then adapt the parameters of the damage evolution law to obtain a propagation of a macro-crack in the localized zone that is energetically compatible with fracture mechanics by controlling the strain energy release rate. This work is dedicated to maintain the objectivity of the solution and to adapt the dissipated energy to fracture mechanics to be able to use a characteristic time exploitable for the simulation of composite samples under quasi-static loading.

L'étude réalisée concerne le comportement endommageable de composites stratifiés carbone/epoxy composés de plis unidirectionnels sous chargements statique et de fatigue. Le modèle présenté s'inscrit dans le cadre de la mécanique de l'endommagement; il est orthotrope et est écrit à l'échelle du pli, sous l'hypothèse contraintes planes; il est unifié pour chargement statique et de fatigue et il est simplifié grâce à un critère d'arrêt à la première rupture de pli. On suppose l'état d'endommagement diffus et donc l'absence de macro-fissures: notamment de délaminages. Cette approche s'adapte aux structures type tube et aux contextes industriels de sécurité. Pour identifier ce modèle, diverses expériences ont été réalisées sur machine de traction conventionnelle et aussi sur une plate-forme de flexion 4 points sur sandwich développée pour l'étude. Cette dernière qui permet de générer de la compression sur une des peaux du sandwich sans instabilité, a permis de montrer grâce à des essais de cisaillement alterné le caractère cinématique de la loi d'écrouissage pour le cisaillement. Pour la fatigue, la seule sollicitation principalement étudiée est celle de cisaillement; la loi d'évolution de l'endommagement proposée dépend du niveau maximal et de l'amplitude de chargement. Un faible nombre d'essai a permis une première identification et une limite d'endurance a été observée. Les débouchés de l'étude concernent l'application d'une part aux tubes et d'autre part au matériau tissé pour lequel l'hypothèse d'endommagement diffus est encore mieux adaptée.

Les composites stratifiés sont aujourd'hui fortement utilisés dans l'industrie. Ils permettent en effet une conception optimisée des structures et offrent ainsi une réponse aux contraintes énergétiques auxquelles font face les industriels. Cependant, la prévision par le calcul de leur comportement sous charge et de leur dégradation progressive soulève une difficulté : la modélisation du matériau doit être réalisée à une échelle très inférieure à celle de la structure. On se concentre ici sur les modèles de zone cohésive qui, depuis les vingt dernières années, ont démontré leur aptitude à la prédiction du délaminage. La taille des problèmes résultant de la simulation de l'évolution de structures industrielles par ce type de modèle est considérable. Leur résolution requiert alors l'utilisation de stratégies de calcul intensif. Dans ces travaux, le problème non linéaire posé à chaque piquet de temps du schéma d'intégration temporel est résolu par une méthode de décomposition de domaine à trois échelles. L'introduction des différents niveaux de résolution permet de traiter les informations de l'échelle fine, de l'échelle du pli et de l'échelle de la structure de manière adaptée au cours des itérations, et ainsi d'assurer l'efficacité de la méthode proposée, en termes de taux de convergence et d'aptitude à la parallélisation. Cette stratégie est ensuite aménagée pour résoudre les difficultés liées aux non-linéarités fortement localisées et aux éventuelles instabilités engendrées par le comportement adoucissant du matériau simulé.

L'utilisation de limiteurs de localisation est nécessaire pour prendre en compte l'apparition de macro-fissures lors de la simulation de l'évolution des dégradations dans les matériaux composites stratifiés en accord avec des expérimentations. Ceux-ci introduisent un paramètre qui peut être relié à une longueur, ou un temps caractéristique, qui peut alors être identifié. L'approche introduite au LMT-Cachan consiste, dans le cadre dynamique, à utiliser un modèle d'endommagement retardé. Elle est basée sur le fait qu'une fissure ne peut pas apparaître instantanément. Ce modèle donne d'excellents résultats en restant dans le cadre de la dynamique et a l'avantage d'être local en espace. Cependant il requiert une discrétisation temporelle de la taille du temps caractéristique introduit (de l'ordre de la microseconde pour les composites), qui le rend inexploitable pour des simulations de chargement en quasi-statique. Les simulations dans ces cas de chargement nécessitent donc l'utilisation d'un temps caractéristique différent de celui identifié qui ne permet plus de maintenir un résultat en accord avec l'expérience. On cherche alors à adapter les paramètres de la loi d'évolution de l'endommagement afin d'obtenir une propagation de la macro-fissure dans la zone localisée qui soit compatible énergétiquement avec la mécanique de la rupture en contrôlant le taux de restitution d'énergie. Ce travail est dédié à maintenir l'objectivité de la solution et à adapter l'énergie dissipé à la mécanique de la rupture afin de pouvoir utiliser un temps caractéristique exploitable lors de simulations d'éprouvettes en composites sous un chargement quasi-statique.

Afin de mieux comprendre et de mieux quantifier la formation des dommages d'impact et leurs conséquences sur la tenue de la structure composite, le recours à la simulation numérique semble être un complément indispensable pour enrichir les campagnes expérimentales. Cette thèse a pour objectif la mise au point d'un modèle d'impact pour la simulation numérique par éléments finis dynamique implicite, capable de prévoir les dommages induits.La première étape du travail a consisté à élaborer un modèle s'appuyant sur le modèle de comportement du pli " Onera Progressive Failure Model " (OPFM) et sur le modèle bilinéaire de zones cohésives proposé par Alfano et Crisfield, puis d'évaluer la sensibilité aux différentes composantes des lois de comportement de la réponse à un impact et des dommages prévus. Des essais d'impact et d'indentation sur des plaques stratifiées en carbone/époxy ont ensuite été réalisés, analysés et enfin confrontés aux résultats numériques, afin d'évaluer les performances à l'impact du modèle OPFM et ses limites.Ces travaux permettent d'aboutir à trois principales conclusions. Premièrement, l'usage de modèles de zones cohésives semble nécessaire pour prévoir la chute de force caractéristique de l'impact sur stratifiés. Deuxièmement, la prise en compte des contraintes hors plan, notamment les cisaillements, est indispensable pour prévoir correctement l'endommagement d'impact. Enfin, si le modèle OPFM est capable de prévoir qualitativement les dommages d'impact, l'absence de caractère adoucissant ou de viscoplasticité semble cependant limiter leur prévision quantitative.

Afin de mieux comprendre et de mieux quantifier la formation des dommages d'impact et leurs conséquences sur la tenue de la structure composite, le recours à la simulation numérique semble être un complément indispensable pour enrichir les campagnes expérimentales. Cette thèse a pour objectif la mise au point d'un modèle d'impact pour la simulation numérique par éléments finis dynamique implicite, capable de prévoir les dommages induits.La première étape du travail a consisté à élaborer un modèle s'appuyant sur le modèle de comportement du pli « Onera Progressive Failure Model » (OPFM) et sur le modèle bilinéaire de zones cohésives proposé par Alfano et Crisfield, puis d'évaluer la sensibilité aux différentes composantes des lois de comportement de la réponse à un impact et des dommages prévus. Des essais d'impact et d'indentation sur des plaques stratifiées en carbone/époxy ont ensuite été réalisés, analysés et enfin confrontés aux résultats numériques, afin d'évaluer les performances à l'impact du modèle OPFM et ses limites.Ces travaux permettent d'aboutir à trois principales conclusions. Premièrement, l'usage de modèles de zones cohésives semble nécessaire pour prévoir la chute de force caractéristique de l'impact sur stratifiés. Deuxièmement, la prise en compte des contraintes hors plan, notamment les cisaillements, est indispensable pour prévoir correctement l'endommagement d'impact. Enfin, si le modèle OPFM est capable de prévoir qualitativement les dommages d'impact, l'absence de caractère adoucissant ou de viscoplasticité semble cependant limiter leur prévision quantitative. / In order to improve the understanding and the quantification of the impact damage formation and of their consequences on the composite structure behavior, numerical simulation seems to be a necessary complement to experiments. This thesis aims at designing an impact model suited for a dynamic implicit finite element numerical simulation, able to predict the induced damages.The first step of the work consisted in building an impact model using the ply behavior law “Onera Progressive Failure Model” (OPFM) and the bilinear cohesive law defined by Alfano and Crisfield, then in evaluating the impact response and the predicted damage sensitivity to the different parameters of the behavior laws. Impact and indentation tests on carbon/epoxy laminate plates have then been performed, analyzed and compared with the numerical results, in order to evaluate the impact performance of OPFM and its limits.This work points out three key results. First, the use of cohesive zone models seems necessary to predict the typical load drop. Secondly, the out-of-plane constraints, especially the shearing, must be taken into account to correctly predict impact damages. Finally, even if the OPFM model is able to qualitatively predict impact damages, the lack of softening or viscoplasticity seems to limit their quantitative prediction.

Les stratifiés composites exposés à haute température subissent une dégradation induite principalement par la thermo-oxydation de la matrice. Celle-ci se manifeste par la formation d'une couche oxydée de faible épaisseur à la surface des pièces. Ce phénomène superficiel induit une perte de masse et provoque une modification du comportement mécanique. L'objectif de cette étude est la prévision du comportement et l'évolution des propriétés de la matrice époxy et de trois stratifiés époxy-carbone (UD, [03/903]s et [453/-453]s) soumis à un vieillissement isotherme ou un cyclage thermique sous environnement oxydant. Un modèle de simulation fondé sur un schéma standard d'oxydation de la matrice couplé avec l'équation de diffusion de l'oxygène a été mis en place, il permet de prédire le profil de la concentration des produits d'oxydation à partir duquel on détermine les épaisseurs des couches oxydées et les pertes de masse. Ce modèle a été validé dans le cas du vieillissement isotherme et du cyclage thermique du composite UD. L'accord entre la théorie et l'expérience est excellent pour la perte de masse jusqu'à l'apparition des fissures et acceptable pour les épaisseurs de couche oxydée. La thermo-oxydation de la matrice induit une fragilisation de la zone de peau dont les propriétés mécaniques sont différentes de celles du coeur du matériau. L'étude expérimentale des propriétés mécaniques instantanées de la couche oxydée montre une chute du module d'Young et des propriétés à la rupture au cours du vieillissement. De même la ténacité de la couche oxydée de la matrice diminue en fonction de l'avancement de l'oxydation. Les fissures sont créées sur les bords et se propagent vers le coeur de l'échantillon au fur et à mesure que le matériau est vieilli. Elles peuvent induire une fragilisation totale et un changement global du comportement mécanique de l'échantillon.

Cette étude fait partie d'un programme de recherche concernant la réparation de structures composites par collage de patchs externes. Les objectifs principaux de ce programme sont d'une part l'identification de l'ensemble des facteurs susceptibles d'influencer les performances à long terme de ce type de réparation, et d'autre part de déterminer dans quelle mesure l'utilisation de tels assemblages peuvent s'avérer une solution optimale. La conception d'un tel système passe obligatoirement par le développement d'un outil de simulation et de prédiction robuste du fait des divers mécanismes d'endommagement pouvant intervenir de fa?on très complexe et de la rupture finale du système résultant d'une propagation des zones endommagées. Cette étude compose d'une et d'autre l'aspect de la modélisation numérique, et l'aspect expérimental. Le dialogue entre les résultats numériques et expérimentaux permet, d'une part de comprendre les mécanismes d'endommagement et l'évolution de ce dernier dans le système réparé, d'autre part de valider le modèle numérique. En particulier, nos efforts ont été concentrés, en utilisant le logiciel LS-dyna, sur l'application des modèles de zone cohésive (MZC). Le comportement au délaminage d'un composite carbone/époxyde et de l'adhésif sont étudié avec les essais en mode I, mode II et mode mixte. Une étude paramétrique de MZC est effectuée. Le modèle de zone cohésive validé est utilisé pour modéliser le comportement en traction des composites réparés par collage de patches externes

L’assemblage des matériaux composites par collage présente des avantages incontestés par rapport à d’autres méthodes telles que le boulonnage ou le rivetage. Cependant, la principale difficulté que rencontrent les concepteurs est celle de la prévision du niveau et du mode de rupture de ces collages. Dans le cas des composites stratifiés, un des facteurs influents sur le comportement des joints collés est la séquence d'empilement, mais les travaux présentés dans la littérature ne séparent pas les effets globaux (modification des rigidités de membrane et de flexion) et les effets locaux (orientation des plis au contact de la colle). La présente étude s'intéresse à la caractérisation de ces effets dans le cas de joints de type simple recouvrement de stratifiés carbone/epoxy. Pour isoler les effets locaux, des séquences d'empilement spécifiques quasi isotropes quasi homogènes sont utilisées. A propriétés de raideur globale égales, des différences de résistance de plus de 30% sont observées selon les séquences considérées. Les essais réalisés avec un stratifié symétrique anisotrope en flexion montrent également que la raideur en flexion joue un rôle important dans le comportement des joints. Les modèles analytiques utilisés prédisent les effets globaux avec une bonne précision mais sont inappropriés lorsque des phénomènes locaux se produisent. Une approche par éléments finis permet de prendre en compte ces phénomènes, en modélisant explicitement les plis au contact de la colle et en rendant possible le décollement interlaminaire de ces plis à l'aide d'un modèle de zone cohésive. Cette modélisation est mise en œuvre pour réaliser une étude paramétrique de la géométrie du joint et pour produire une enveloppe de rupture en fonction de la direction de sollicitation. / Adhesive bonding of composite materials has undeniable advantages over other methods such as bolting or riveting. However, one of the difficulties encountered by designers is the prediction of the failure level and failure mode of these adhesively bonded assemblies. In the case of composite laminates, one of the factors acting on the bonded joint behaviour is the stacking sequence, but works presented in the literature do not separate global effects (membrane and bending stiffness modification) and local effect (ply orientation near the adhesive layer). This study deals with the characterization of such effects in the case of single lap joints of carbon/epoxy laminates. In order to isolate the local effects, specific quasi isotropic quasi homogeneous stacking sequences are used. When stiffness properties are maintained constant, strength variations of more than 30 % are observed. Tests performed with a symmetric laminate with bending anisotropy show that the bending stiffness plays also an important role in the joint behaviour. Closed form models are able to predict global effects with a good accuracy but are inappropriate when local effects occur. The use of finite element models can account for these phenomena, by explicitly modelling the laminate plies near the adhesive layer and introducing delamination between these plies with a cohesive zone model. This model is used to perform a parametric study of the joint geometry and to produce a failure envelope according to the orientation of the loading.

La conception de réservoirs composites sans liner pour les lanceurs spatiaux nécessite d’étudier la relation entre endommagement et perméabilité dans les matériaux composites stratifiés pour proposer des solutions répondant à la fois aux critères fonctionnels de résistance et de taux de fuite. L’objectif de cette étude est de fournir une description pertinente de l’évolution de l’endommagement à l’échelle mésoscopique (i.e. à l’échelle du pli) et des réseaux de fissures en résultant afin de prédire l’apparition de fuites à travers les composites stratifiés. Pour ce faire, la démarche mise en œuvre combine modélisation de l’évolution de l’endommagement et essais mécaniques et de perméabilité. Dans un premier temps, des procédures expérimentales spécifiques s’appuyant sur des observations par microscopie optique et par microtomographie sous chargement de traction sont proposées pour caractériser les interactions et l’agencement entre les endommagements des différents plis en termes de seuil de fissuration, de longueur et de position relative des fissures mésoscopiques. Ensuite, pour caractériser la percolation des fissures qui transforme des réseaux de fissures en chemins de fuite, une méthode de mesure de la perméabilité et deux dispositifs expérimentaux sont proposés pour réaliser des mesures de perméabilité sur des tubes sous chargement mono-axial d’une part et bi-axial proportionnel ou non d’autre part. Pour les deux chapitres expérimentaux, des résultats obtenus pour différents stratifiés carbone époxy mis en œuvre par placement de fibres automatisé sont présentés. Enfin, un modèle d’endommagement multi-échelles basé sur les énergies de fissurations est introduit pour décrire les cinétiques des endommagements mésoscopiques, et des pistes de réflexion pour le développement d’un méso-modèle de prédiction des densités de points de fuite sont données. / The design of liner-less composite pressure vessels for spatial launchers requires studying the relation between damage and permeability in laminates in order to offer solutions which fulfill strength and leak rate requirements. This study aims at providing a relevant description of damage growth and the resultant network at the meso-scale for leakage prediction. To do so, damage growth modelling is coupled with mechanical and permeability characterization. Two mains issues are addressed: crack network formation, by characterizing and modeling the growth and organization of cracks, and percolation and its effects on permeability, which is addressed by permeability measurement and leak path quantification. Several experimental methods based on optical microscopy and micro-tomography observations under tensile loading are proposed. These methods aim at evaluating the damage interaction and pattern of different plies in terms of cracking threshold, cracks length and relative location. Besides, two experimental setups are proposed to assess permeability evolution and percolation of cracks in pipes submitted to mono-axial or bi-axial loading. The results obtained for several carbon epoxy laminates manufactured by Automated Fibre Placement (AFP) are presented. At last, a multi-scale damage model based on energy release rates and finite fracture mechanics is introduced and key issues for developing a damage meso-model dedicated to the prediction of leak path density are established.