Lors de la fabrication de tubes composites (carbone/epoxy), des défauts apparaissent (délaminage, fissuration). Le problème est alors de décider si un tube est apte au service. Ce travail consiste à mettre en place un outil numérique dédié permettant l'utilisation d'un méso-modèle d'endommagement à l'échelle du pli.

L'objectif principal de cette étude est de prédire l'initiation du délaminage en fatigue dans un matériau composite en carbone/polysulfure de phénylène (PPS). Dans le domaine des transports comme l'aéronautique ou l'aérospatiale, de nombreuses applications sont réalisées en matériaux composites en raison de leur rapport résistance/masse volumique élevé. Les matrices thermoplastiques telles que le PPS témoignent d'un certain nombre d'avantages, tels que le recyclage, quand on les compare aux classiques résines thermodurcissables comme l'époxy. En effet, ce matériau peut présenter un taux de cristallinité et une température de transition vitreuse élevés et ainsi avoir de très bonnes propriétés thermomécaniques. Néanmoins avant de réaliser des pièces structurelles en composites thermoplastiques, une connaissance précise et globale du comportement mécanique est nécessaire aussi bien en statique, qu'en fatigue couplé au vieillissement. Plus particulièrement, au cours des essais de fatigue, lorsque le délaminage, défini comme le décollement entre couches adjacentes se produit, très souvent cela signifie une ruine rapide et totale de la structure. Ainsi, afin d'établir un critère capable de prévoir l'amorçage du délaminage, des essais de fatigue à différents niveaux de contraintes et des essais Arcan-Mines ont été réalisés. Cette étude présente une procédure d'évaluation de la résistance d'interfaces des matériaux composites soumis à des chargements cycliques. Enfin, nous proposons un critère fiable d'initiation au délaminage et sa validation pour le matériau étudié.

Le sujet de recherche proposé se présente comme une étude préliminaire à l'optimisation de l'usinage à sec des composites carbone/époxy. L'étude proposée traite de la compréhension des mécanismes d'endommagement des outils. Elle a pour but de déterminer les différents paramètres tribologiques de l'interface outil-pièce (efforts, température, frottement, rugosité) et de les confronter à l'usure des outils. Les opérations de coupe par enlèvement de matière génèrent des efforts et des gradients de température importants, d'où risques d'endommagements au niveau des surfaces usinées. Un dispositif d'étude basé sur l'observation expérimentale de la formation du copeau (caméra vidéo rapide, mesure des efforts, calcul de flux thermique, coefficient de frottement) et la simulation numérique par la méthode des éléments discrets sont ensuite misent en place. La caractérisation physico-chimique réalisée à l'aide de techniques complémentaires d'analyse de surface (MEB, profilométrie optique) a permis d'identifier les différents types d'endommagement de l'outil et du composite. Une étude spécifique du perçage des composites a permis de visualiser les dommages créés par un foret et, après analyse, de proposer un outil mieux adapté. Le délaminage des derniers plis du composite, provoqué par la pénétration du foret est considéré comme le défaut majeur. Un modèle mathématique a permis de prévoir l'effort de pénétration du foret. Ce modèle a été validé par une procédure expérimentale. Une relation liant l'effort de pénétration aux conditions de coupe et à l'usure du foret a été proposée. La synthèse de l'étude fait apparaître l'intérêt industriel du travail. L'approche basée sur la détermination des efforts de coupe à l'aide de simulations numériques par la méthode des éléments discrets a permis de corréler les mécanismes de formation du copeau et d'enlèvement de matière. La justesse des simulations numériques est conditionnée par la capacité de la modélisation à prédire des efforts de coupe et une morphologie du copeau en accord avec l'expérimentation. Les simulations numériques ont conduit à l'obtention d'une bonne corrélation entre les prédictions et les résultats expérimentaux.

Ce travail de thèse est consacré au développement d'outils de conception utilisables par des bureaux d'études. Si on note une progression des matériaux composites dans différents domaines, cette progression reste limitée dans certains secteurs ou les charges reprises par les structures, la sécurité qui leurs sont attachées nécessitent une conception rigoureuse. Tout changement de matériaux a besoin d'être argumenté. Par ailleurs si on augmente les marges de sécurité, l'intérêt des composites s'annule rapidement pour des raisons de coûts attachées à ces matériaux. Eviter ces écueils impliquent une conception basée sur une bonne connaissance des composites pressentis, à la fois dans les domaines linéaires et non linéaires. Cela signifie bien comprendre les mécanismes de dégradation et évaluer la tolérance associée aux différents dommages. C'est dans ce contexte et en partenariat avec la société ALSTOM, que nous avons étudié des composites tissés en carbone époxy pour réaliser certaines pièces de bogie. L'objectif de ce travail était de caractériser le comportement des matériaux, de répertorier leurs dégradations sous chargements quasi-statiques et cycliques puis de proposer des modèles de comportement prenant en compte l'influence des dégradations. Ces modèles implémentés dans un code de calcul par éléments finis doivent permettre de calculer des pièces à gradients de contraintes élevés. Un autre objectif était d'étudier le rôle joué par l'épaisseur des stratifications dans un contexte de pièces épaisses. La raison en est que les matériaux composites n'étant plus confinés à des parties dites secondaires ne reprenant que peu d'efforts, mais à des structures ou sous-structures primaires largement sollicitées, l'épaisseur des stratifications s'en trouve augmentée. Si on peut toujours parler de résistance exceptionnelle à la fatigue des composites, de rapport élevé entre la limite d'endurance et la résistance à la traction, il reste néanmoins à s'assurer que l'augmentation des épaisseurs ne vient pas contrarier ces affirmations. Les structures stratifiées développent en effet avec l'épaisseur des contraintes inter-laminaires dont la principale conséquence est d'engendrer des décollements entre les plis appelés délaminages, très préjudiciables pour la tenue mécanique de ces structures.

L'objectif principal de ce travail est d'étudier la cinétique d'endommagement par multifissuration matricielle de stratifiés croisés [0m/90n]S, carbone/époxyde IM7/977-2 ou IMS/M21 utilisés dans l'industrie aéronautiques, à partir d'essais de traction sous chargement monotone et de fatigue, à plusieurs températures. L'évolution de la densité de fissures dans des stratifiés [0m/90n]S sous chargement monotone est étudiée expérimentalement puis décrite par un critère énergétique faisant intervenir l'énergie de rupture. Plusieurs expressions du taux de restitution d'énergie ont été comparés pour obtenir une bonne évaluation de l'énergie de rupture en fonction de la densité de fissures. L'influence du délaminage et de la température sur les courbes de fissuration a aussi été considérée. Pour le composite IM7/977-2, l'influence de la température est décrite au moyen du principe de superposition temps-température, en cherchant à construire des courbes maîtresses d'iso-endommagement. Un passage de l'étude de la fissuration sous chargement monotone à l'étude de la fissuration progressive sous chargement de fatigue a été étudié. Une étude expérimentale et une simulation de l'évolution de la densité de fissures transverses en fonction du nombre de cycles sont présentées. Dans le critère de fissuration, une loi de dégradation de l'énergie de rupture en fatigue du matériau qui repose sur une génération de l'hypothèse simple de Vinogradov concernant la forme des courbes S-N de première fissuration et qui prend en compte l'effet de courbe «R» a été utilisée.

Ce travail porte sur la modélisation de l'endommagement et la rupture par délaminage des assemblages multicouches renforcés par composites. Des essais de rupture en extrémité de joint d'interfaces collées aluminium/composite, et de rupture par cisaillement interlaminaire de stratifiés tubulaires carbone/époxy ont d'abord permis d'observer deux formes d'amorçage distinctes, en statique comme en fatigue. Afin de mettre en oeuvre la mécanique linéaire élastique de la rupture, des modélisations analytiques des champs de contraintes linéaires ont été effectuées avec la mécanique des poutres et la théorie de l'élasticité anisotrope en milieu continu homogène. La simulation numérique aux éléments finis a permis de représenter plus précisément les phénomènes non linéaires en incluant le comportement viscoplastique de l'aluminium et la séparation interfaciale de type fragile. La recherche d'une méthodologie de simulation aux éléments finis par un modèle de zone cohésive commercial nous a conduits à proposer une homogénéisation de la zone interfaciale. Ce schéma a été repris pour la caractérisation mécanique d'un assemblage de préimprégnés carbone-époxy collés, afin d'évaluer l'influence du vieillissement humide sur les propriétés de fluage et de ténacité interfaciale.

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.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans les structures aéronautiques. Les travaux présentés ici visent à mettre en place une méthode de calcul permettant de prédire les délaminages dans ces structures stratifiées soumises à des chargements dynamiques tout en assurant des coûts de calculs compatibles dans un contexte industriel. Une méthode de décomposition de domaine en dynamique est d'abord utilisée, afin de coupler des modélisations et des pas de temps de calcul différents. Une modélisation fine est utilisée uniquement dans les zones en cours de dégradation. Une représentation macroscopique du stratifié par des éléments de coque 3D est développée et employée dans le reste de la structure. Les coûts de calcul sont ainsi réduits tout en assurant une bonne précision des résultats. Pour éviter un remaillage avec l'avancée du délaminage, une approche multi-échelle en temps et en espace est ensuite proposée. Un maillage global de coque 3D de l'ensemble de la structure est défini. Des maillages utilisant une représentation fine du matériau sont utilisés localement. Des pas de temps adaptés sont utilisés dans les deux types de maillage.

Ces travaux de thèse, menés dans le cadre du projet de recherche européen MAAXIMUS (More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing), portent sur la simulation numérique de problèmes d'interaction flambage-délaminage au sein de composites stratifiés. Cette interaction met en jeu des phénomènes non linéaires de natures différentes (flambages local et global de plis, initiation et propagation du délaminage, contact entre plis fissurés) qui entraînent des pertes de rigidité importantes et des instabilités, sur des géométries très élancées du fait de la forte différence d'échelle entre les zones délaminées et le pli élémentaire. En conséquence, la prédiction conduit à traiter des problèmes non linéaires de grande taille dont la résolution est uniquement envisageable par l'utilisation des architectures de calcul parallèle actuelles.Dans ce contexte de résolution parallèle, la stratégie multiéchelle LaTIn (Large Time Increment) de décomposition de domaine mixte présente de nombreux avantages déjà mis en évidence lors de travaux précédents dans le cas du délaminage et du contact en petites perturbations. Le but de cette thèse est donc de proposer une extension de la méthode aux grandes transformations.Une grande partie des travaux a été consacrée à s'affranchir des difficultés inhérentes aux structures élancées. Une étude des paramètres de la méthode dans les cas de la flexion, du flambage, du contact entre grandes surfaces fissurées et du délaminage, a été réalisée pour optimiser le taux de convergence, diminuer les temps de calcul et assurer l'extensibilité de la stratégie.

La conception et le dimensionnement des structures stratifiées sont aujourd’hui globalement maîtrisés grâce à la théorie classique des stratifiés. Cependant, les problèmes de délaminage près des bords libres et des jonctions posent encore de nombreuses difficultés. En effet, dans ces zones, la discontinuité des propriétés mécaniques entre les plis d’orientation différente engendre des contraintes tridimensionnelles aux interfaces interlaminaires.L’objectif de ce travail est d’étudier expérimentalement les effets de bords et de mettre en évidence les paramètres susceptibles de les influencer. Pour cela la démarche a consisté à définir un protocole de mesure par corrélation d’images des champs cinématiques, à l’échelle des plis (échelle mésoscopique), sur le bord libre d’éprouvettes stratifiées sollicitées en traction.Trois matériaux de propriétés mécaniques et de microstructures différentes ont été étudiés ainsi que deux géométries d’éprouvettes : planes et avec sauts de plis. Des calculs par éléments finis ont permis de choisir la séquence [(15/-15)2]s pour laquelle les effets de bords sont les plus importants.Cette étude a permis de montrer l’existence de gradients de déplacements et de pics de déformations de cisaillement au voisinage des interfaces interlaminaires dont l’intensité dépend des gradients de propriétés mécaniques, de l’épaisseur de l’interface interlaminaire, et de la présence d’une discontinuité géométrique. D’autre part, les observations montrent l’apparition de fissures aux interfaces fibre / matrice à l’échelle microscopique le long des interfaces interlaminaires qui se traduisent à l’échelle mésoscopique par une évolution non linéaire du cisaillement / The use of composite materials has become more and more widespread in many industrial applications. Thanks to Classical Laminates Theory, design of composite structures is today globally well mastered. However, local effects, such as delamination near free edges or junctions, remain a problem. Indeed, mismatches between elastic properties of adjacent plies induce strong three-dimensional interlaminar stresses in the vicinity of free edges and interlaminar interfaces.The aim of this work is to experimentally study these edge effects and to highlight the parameters which could influence them. The approach has consisted in measuring the mechanical fields by Digital Image Correlation at ply scale (mesoscopic scale) on free edges of laminated samples under tensile loading.Three different materials, with different mechanical properties and microstructures have been studied as well as two sample geometries: plane samples and with ply drops. Finite element calculations allowed choosing the stacking sequence [(15/-15)2]s to be studied for experimental tests in which the edge effects are the most important and measurable.The results highlight the presence of displacements gradients and shear strain concentrations near free edges and interlaminar interfaces which depends on the inter-plies gradient of mechanical properties, width of interlaminar interfaces, and presence of a geometrical discontinuity. Moreover, observations at the microscopic scale show the presence of fissures at fiber / matrix interfaces which induce a non-linear shear behavior at mesoscopic scale