Carbon Fiber Reinforcement Polymer (CFRP) materials are widely used to strengthen reinforced concrete structures because they are light weight, have high strength, and are relatively easy to install. In strengthening applications, CFRP strips are typically attached to the concrete surface using epoxy resin with fibers oriented in the direction needing additional tensile strength. However, if CFRP strips rely exclusively on bond strength with concrete, only 40% to 50% of the CFRP tensile strength can be developed before debonding occurs. In order to fully develop the tensile strength of CFRP strips, some form of anchorage is needed. CFRP anchors can be applied with relative ease and have recently been shown to provide effective anchorage of CFRP strips to concrete members. In many cases, however, current anchorage details may resulting in fracture or failure of CFRP anchors prior to developing the full strength of CFRP strips. Many design parameters, the effects of which are not well understood, can affect the behavior and strength of CFRP anchors. Moreover, previous studies have demonstrated that the quality of installation can influence anchor strength substantially. The objectives of the study presented are to: 1) provide engineers with design guidelines for CFRP anchors, and 2) deliver a reliable test for controlling the quality of installation and materials of CFRP anchorage systems. In all, 39 tests on 6”×6”×24” rectangular concrete beams were conducted to study the influence of five parameters on CFRP anchor strength and effectiveness: 1) the width of the CFRP strip being developed, 2) the material ratio of CFRP anchor to CFRP strip, 3) the concrete strength, 4) the length/angle of anchor fan, and 5) the bond between CFRP strip and concrete (bonded/unbonded). The same tests also served to develop the test methodology for quality control of the CFRP anchorage system. Based on experimental results, guidelines for designing CFRP anchors are proposed. A test specimen and methodology are also proposed for qualifying CFRP materials and anchorage-system installations. A Finite Element (FE) formulation was selected to provide a computational tool that is suited for simulating the behavior of CFRP strips and CFRP anchors. The ability of the selected FE formulation to reproduce the effects on behavior of varying the anchor-material ratio, concrete strength, length of anchor fan, and bond conditions was investigated. Six FE simulations were built by adjusting simulation parameters and comparing results with six experimental tests. Comparisons between experimental and numerical results indicate that the proposed FE formulation and parameter selections reproduced load-deflection and local strain behaviors with high fidelity. / text

In diesem Beitrag werden neben der detaillierten Betrachtung der Wandervorgänge von Lagerringen primär die Simulationsmethodik bezüglich elastischer Zwischenschichten sowie die Ergebnisse einer FE-Parameterstudie präsentiert. Der Fokus liegt dabei auf Wälzlageraußenringen von Radiallagern unter Punktlast.

Un modèle d’endommagement dédié aux composites bobinés est développé à partir des outils de lamécanique de l’endommagement continu, de la thermodynamique des processus irréversibles et dela théorie de représentation des fonctions tensorielles. La particularité de ce modèle est l’utilisationd’une approche à directions fixes de l’endommagement qui associe à chaque mode de dégradationdes variables internes scalaires et des tenseurs directionnels. La rupture des fibres (considéréecomme probabiliste), les fissurations tant matricielles, que hors – plan ou provoquées par lecisaillement sont ainsi prises en compte. Le modèle est capable de reproduire, dans un contextetridimensionnel imposé par les fortes épaisseurs de composite, la perte de rigidité, l’interaction entreanisotropies initiale et induite, la non linéarité du comportement, les déformations résiduelles et laviscosité en cisaillement. Afin de valider cette approche, le comportement thermomécaniqued’éprouvettes issues de structures bobinées a été caractérisé grâce à des essais de traction multi –instrumentés (vidéo – traction, émission acoustique,...). On montre que le modèle est capable nonseulement de simuler la réponse mécanique macroscopique de ces échantillons, mais également dereproduire l’émission acoustique enregistrée, de distinguer les différentes formesd’endommagement et de prédire précisément l’éclatement des réservoirs hyperbares. / A damage model dedicated to wound composite is developed by using the tools of continuousdamage mechanics, irreversible processes thermodynamics and the representation theory of tensorfunctions. The particularity of this model is the use of a fixed directions approach of damage whichassociates each degradation mode to internal scalar variables and directional tensors. Fiber breakage(considered probabilistic), matrix cracking (transverse, out-of-plane or caused by shear) are thustaken into account. The model is able to reproduce, in a three-dimensional context imposed bythick composite layers, loss of strength, interaction between initial and induced anisotropy, nonlinearitybehavior, residual strain and shear viscosity. To validate this approach, thermo mechanicalbehavior of specimens from the wound structures was characterized by tensile multi - instrumentedtests (video - traction, acoustic emission, ...). We show that the model is able to simulate not onlythe macroscopic mechanical response of these samples, but also to reproduce the recorded acousticemission to distinguish the various forms of damage and to accurately predict the burst ofhyperbaric tanks.

- Einführung in die Thematik des Hebelflechtens - Ermittlung der mechanisch-/tribologischen Kennwerte von Fadenmaterialien - FE-Modellbildung der Fadenmaterialien im Flechtprozess - FE-Simulation eines Zugversuches mit implementierten Werkstoffdaten und Definition eines einfachen Schädigungskriteriums - Prozesssimulation des Flechtvorganges

Le coefficient de couplage électromécanique (CCEM) est un paramètre essentiel pour la description des matériaux piézoélectriques, il traduit la conversion d’énergie électrique en énergie mécanique et vice versa. Ce coefficient de couplage est étudié et déterminé dans le cadre de cette thèse pour des céramiques piézoélectriques. Ces dernières sont utilisées pour trois structures différentes ; la première structure étudiée est constituée d’une poutre longue et mince avec des petits patchs collés symétriquement sur les deux faces de la poutre en Aluminium, la seconde structure se compose d’une poutre courte et épaisse avec deux grands patchs. La dernière structure étudiée est une plaque composite multicouche du type aéronautique avec un seul grand patch. Ces trois structures ont été étudiées afin de déterminer le coefficient de couplage électromécanique effectif qui est considéré comme un indicateur de performance de l’amortissement passif shunté. Ce coefficient de couplage a été évalué de différentes manières en utilisant différents paramètres dont les conditions limites électriques, les propriétés élastiques des patchs, les propriétés modales de la poutre seule ainsi que les facteurs de couplages piézoélectriques. Une première étude expérimentale a été menée sur la poutre longue pour deux types de configurations en court circuit et circuit ouvert pour identifier ses propriétés modales. La poutre longue a été simulée pour deux types de polarisations, identiques et opposées, et simulée dans les deux codes Ansys® et Abaqus®. L’influence de la condition d’équipotentielle sur le coefficient de couplage a été étudiée. Une seconde campagne expérimentale et numérique sur une autre structure a été nécessaire pour valider les résultats obtenus. Pour pouvoir atteindre cet objectif, il était nécessaire de travailler sur une structure plus courte et plus rigide. Ainsi, la poutre courte a été simulée dans Ansys® et les résultats obtenus ont confirmé la nécessité de prendre en compte l’équipotentialité sur les faces des patchs. Cette condition a pour effet de réduire le couplage électromécanique et parfois de découpler certains modes. L’écart résultant de la corrélation expérimentale / numérique des deux poutres instrumentées a incité à recaler les modèles numériques. Ce recalage peut se présenter sous trois formes : mécanique en remplaçant l’encastrement par des ressorts linéaires, électrique en remplaçant les capacités fournies par le fabricant par les valeurs mesurées expérimentalement et électromécanique en utilisant les deux recalages précédents simultanément. Les deux poutres ont ensuite été simulées en déformations planes et contraintes planes et recalées afin d’approcher les résultats expérimentaux. L’étude de ces deux structures a permis de confronter les différentes méthodes d’évaluation du CCEM effectif, d’évaluer l’influence de l’équipotentialité sur les faces des électrodes et de comparer les simulations bidimensionnelles aux tridimensionnelles. Une plaque composite multicouche du type aéronautique a été ensuite étudiée pour généraliser la méthode d’évaluation du CCEM effectif pour les structures minces composites. La plaque seule a d’abord été simulée dans Ansys® pour valider le modèle numérique. Des tests sur la structure adaptative ont ensuite été menés pour l’évaluation du CCEM expérimental. La position choisie du patch a été déterminée par une analyse de l’énergie de déformation de la plaque seule pour les modes d’intérêt. Cette méthode de placement du patch s’est avérée efficace dans le sens où elle a conduit à des CCEM effectifs élevés pour certains modes de la bande de fréquence retenue. / The electromechanical coupling coefficient (EMCC) is an important parameter for the description of piezoelectric materials; it measures the conversion of electrical energy into mechanical one and vice versa. The coupling coefficient is studied and determined in this dissertation for piezoelectric ceramics. The latter are used for different structures: the first studied one is a long and thin Aluminium beam with small patches bonded symmetrically on its faces, the second one is a short and thick Aluminium beam with symmetrically bonded two large patches, and the third structure is considered more complex because it is an aeronautic-type multilayer composite plate with a single large patch. These three structures were studied to determine the electromechanical coupling coefficient which is considered as a performance indicator for passive shunted damping. The coupling coefficient was evaluated in different ways using different parameters, including the electrical boundary conditions, the elastic properties of the patches, the modal properties of the base beam and the piezoelectric coupling factor. A first experimental study was conducted on the long beam for two configurations, short circuit and open circuit, to identify its modal properties. The long beam was simulated for two configurations of polarization, same and opposite, in Ansys® and Abaqus® commercial codes. The equipotential condition influence on the coupling coefficient has been studied. A second experimental and numerical campaign for a different structure was necessary to validate the obtained results. For this purpose, it was necessary to work on a shorter and more stiff structure. Thus, the short beam was simulated in Ansys® which results have confirmed the necessity to consider the equipotentiality of the patches faces. This condition was found to reduce the electromechanical coupling and to uncouple some modes. The difference between experimental and numerical results of both adaptive structures was reduced by updating the numerical models. This updating is made in three ways: mechanically, by replacing the theoretical clamp conditions by linear springs, electrically, by replacing the capacities provided by the supplier by the experimental measured values, and electromechanically by considering previous updatings simultaneously. Both beams were simulated in 2D plane-strain and plane-stress and updated in order to approximate the experimental results. The study of these two structures allowed to assess different methods for the evaluation of the EMCC, to evaluate the influence of the equipotentiality constraints on the electroded faces, and to compare two-dimensional simulations to three-dimensional ones. Finally, an aeronautic-type multilayer plate composite has been studied in order to generalize the evaluation method of the EMCC for thin composite structures. The base plate was first simulated in Ansys® in order to validate the numerical model, then tests of the adaptive plate were conducted in order to evaluate the experimental EMCC. The selected position of the patch results from a strain energy analysis of the base plate for the mode of interest. The patch placement method was efficient in the sense that it provided high EMCC for some modes in the retained frequency range.

In diesem Beitrag werden neben der detaillierten Betrachtung der Wandervorgänge von Lagerringen primär die Simulationsmethodik bezüglich elastischer Zwischenschichten sowie die Ergebnisse einer FE-Parameterstudie präsentiert. Der Fokus liegt dabei auf Wälzlageraußenringen von Radiallagern unter Punktlast.

La tenue résiduelle à l'impact basse vitesse est un critère dimensionnant des structures composites minces pour l'aéronautique. La majorité des travaux réalisés jusqu'ici porte sur l'analyse du comportement en zone courante. Ce travail élargit le domaine d'étude aux zones de variation d'épaisseur. L'objectif est d'étudier la tolérance aux dommages d'impact d'un stratifié comportant une zone de reprise de plis (ZRP) dans le cadre d'un dialogue essai/ calcul, en menant en parallèle une campagne d'essais expérimentaux et l'adaptation d'un modèle numérique de l'endommagement des composites.Le volet expérimental étudie successivement l'impact, la compression et la fatigue à R=-l après impact (CAI et FAI) d'éprouvettes comportant une ZRP. L'analyse des essais d'impact a permis d'identifier la résistance à l'impact et le mécanisme d'endommagement des éprouvettes. Ensuite, un outillage d'essai adapté à la géométrie des éprouvettes a été conçu pour les essais de CAI et de FAI. Les essais de compression montrent une tenue résiduelle statique après impact similaire à celle des éprouvettes sans perte de plis. Les essais de fatigue menés à 60 070 de la tenue résiduelle statique montrent une propagation des délaminages d'impact (en dessous du BVID) qui mène à la rupture des éprouvettes pour un nombre de cycles relativement faible. Alors que la tolérance aux dommages d'impact des ZRP sous chargement statique est comparable à celle des zones courantes lisses, on constate une forte vulnérabilité de ces zones sous chargement de fatigue.Le volet numérique a permis de tester l'approche DPM (Discrete Ply Model), développé lors de travaux précédents, sur une configuration particulière. Un maillage spécifique a été réalisé pour tenir compte des discontinuités de la ZRP. Au niveau de la loi matériau, une formulation unifiée de la rupture de fibres en traction/compression a été implémentée. Les résultats de la simulation d'impact sont en bonne corrélation avec les données expérimentales. Le modèle est capable de prédire la réponse globale de l'éprouvette ainsi que l'étendu des dommages internes. La modélisation de la CAI a permis de confirmer les mécanismes de rupture identifiés lors des essais. Ces résultats numériques sont remarquables puisqu' aucune modélisation locale particulière n'a été faite pour les arrêts de plis. L'approche DPM s'est révélée suffisamment robuste et bien adaptée à la modélisation de l'endommagement des stratifiés unidirectionnels. / The residual strength after low velocity impact is a sizing criterion of thin composite structures in aeronautics. The majority of work on the subject is focused on the analysis of plain laminates. This study expands the field of interest to tapered area. The objective is to study the impact damage tolerance of a laminate with ply drop-off using an experiment/ modelling dialogue: on one hand carrying experimental test campaign and on other hand adapting numerical modelling of composite damage. The experimental part successively examines the impact, compression and fatigue R=-l after impact (CAI and FAI) of specimens with ply drop-off. Analysis of the impact results has enabled the identification of impact resistance and damage mechanism. Then, a testing tool for CAI and FAI was specially designed to suit the geometry of the specimens. Compression tests show a static residual strength after impact similar to plain laminates. Fatigue tests carried at 60% of CAI strength show a propagation of impact delamination (below B VID). Failure of specimens occurs after a relatively small number of cycles. While the impact damage tolerance of tapered laminates is comparable to plain laminates under static loading, high vulnerability is observed under fatigue loading. The numerical part allowed to test the Discrete Ply Model (DPM), developed in previous works, on a particular configuration. A specific meshing was realized to account for the discontinuities in the ply drop-off area. Regarding the material law, a unified formulation of the fiber breakage in tension/ compression is implemented. Impact simulation results correlated well with the experimental data. The model is able to predict the overall response of the specimen and internal damage. The modeling of the CAI enabled to confirm the failure mechanisms identified during tests. These numerical results are remarkable since no particular local modeling has been realized for the ply drop-off area. DPM approach has proven robust enough and well suited to damage modeling of unidirectional laminates.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation des mécanismes de déformation et de leurs interactions pour un zinc polycristallin pur, sous les conditions de chargement complexe et local qui caractérisent l'essai de nanoindentation. En effet, l'interaction des différents mécanismes mis en jeu a généralement été étudiée sur la base de sollicitations dites simples, telles que les essais de traction uniaxiale, biaxiale… Sous l'action d'un chargement uniforme, la prépondérance d'un système particulier sera conditionnée par l'orientation du cristal et par le sens du chargement par rapport à l'axe sénaire. La situation peut être rendue plus complexe dans le cas d'un chargement non simple, comme c'est le cas de l'essai d'indentation. Nous avons réalisé des essais de nanoindentation sur des grains de différentes orientations cristallographiques (mesurées par EBSD), et les résultats obtenus en termes de courbes "charge-profondeur de pénétration" et topographie des empreintes résiduelles ont été analysés. La complexité de l'état de contrainte qui se développe dans le matériau dépend des caractéristiques géométriques de l'indenteur et des orientations cristallographiques en présence, ce qui peut donner lieu à diverses interactions entre les modes de déformation. Ces interactions impacteront directement l'écoulement plastique local du matériau, et par voie de conséquence les propriétés mécaniques macroscopiques du matériau. En adoptant une loi de comportement en plasticité cristalline, nous avons ensuite procédé à la détermination des cissions résolues critiques et des paramètres d'écrouissage pour les différents mécanismes observés. Cette détermination s'est basée sur la résolution d'un problème inverse, au cours duquel nous avons couplé la simulation numérique 3D de l'essai de nanoindentation à l'identification des paramètres de la loi de comportement au moyen d'algorithmes génétiques. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques en termes de courbes "charge-profondeur de pénétration" et profils de déformation montrent la bonne adéquation entre les données expérimentales et le modèle identifié. Les résultats obtenus ont ainsi permis de caractériser les mécanismes de déformation observés, et de proposer des perspectives à ce travail. / Within the scope of this thesis, we focused on the characterization of deformation mechanisms and their interactions for pure polycrystalline zinc under complex and local loading conditions such that those involved in a nanoindentation test. Indeed, the interaction between the different mechanisms involved has generally been studied on the basis of so-called simple tests, such as uniaxial or biaxial tensile tests ... Given uniform loading conditions, the predominance of a given deformation system depends on the crystal orientation and the loading direction relative to the crystal c-axis. The situation may be further complicated in case of a complex stress state, as it is the case of the indentation test. We performed nanoindentation tests on grains of different crystallographic orientations (measured by EBSD) and the results (curves "load-penetration depth" and topography of residual imprints) were analyzed. The complexity of the stress state that develops underneath the indenter depends on both the geometrical characteristics of the latter and the crystallographic orientations of the grains, which can give rise to different interactions between the deformation modes. Those interactions will directly affect the local plastic flow, and thus the mechanical properties of the macroscopic material.By using a crystal plasticity model, we have then determined the critical resolved shear stresses and hardening parameters for the observed deformation mechanisms. This determination is based on the solution of an inverse problem, in which we have coupled 3D numerical simulations of the nanoindentation test to genetic algorithms to solve an optimization problem. Comparison between experimental and numerical results in terms of "load-penetration depth" curves and penetration depth profiles show a good agreement between the experimental data and the identified model. The results enabled to characterize the observed deformation mechanisms, and to provide perspectives to this work.

- Einführung in die Thematik des Hebelflechtens - Ermittlung der mechanisch-/tribologischen Kennwerte von Fadenmaterialien - FE-Modellbildung der Fadenmaterialien im Flechtprozess - FE-Simulation eines Zugversuches mit implementierten Werkstoffdaten und Definition eines einfachen Schädigungskriteriums - Prozesssimulation des Flechtvorganges

Die Analyse des Standes der Technik zu Simulationsmethoden im Werkzeugentwicklungsprozess zeigt die breiten Bestrebungen ganzheitliche Modelle zur Abbildung der Maschinen- und Werkzeugeigenschaften in der Prozesssimulation zu schaffen um die Werkzeuginbetriebnahme in Zukunft in die virtuelle Welt überführen zu können. Dabei werden die Einflüsse wie die Stößelkippung unter Last, die Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten, die Verformung des Ziehkissens und die elastische Nachgiebigkeit der Werkzeuge separat betrachtet. Es konnte kein Simulationsmodell identifiziert werden, welche alle relevanten Eigenschaften der Werkzeuge und der Maschinen zu einem Gesamtmodell vereint. Zudem fehlten Modellierungsansätze für wesentliche Teilaspekte einer ganzheitlichen Abbildung der Wechselwirkungen von Maschine, Werkzeug und Prozess. Insbesondere ist dabei die systematische Untersuchung zur Abbildung des Pinolentragbildes sowohl örtlich als auch über dem Pressenhub und der versteifende Einfluss der Werkzeugführung zu nennen. Mit der vorliegenden Arbeit konnte ein ganzheitliches FE-Prozessmodell mit den wesentlichen elastischen Eigenschaften der Maschine und der Werkzeuge erstellt werden. Wichtig ist dabei insbesondere die systematische Abbildung relevanter mechanischer Ziehkissenstrukturen als Ersatzmodell und die Integration der tatsächlichen Ziehkissenkraft im Prozessmodell. Bekannte Modellierungsansätze wie z.B. die Abbildung der Kippsteifigkeit des Stößelsystems und die Berücksichtigung der Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten wurden weiterentwickelt und in das Gesamtmodell implementiert. Für jedes Ersatzmodell wurde eine Strategie zur Modellerstellung und zur zweckmäßigen Parametrierung mit dem Ziel eines minimalen Zeit- und Kostenaufwandes vorgeschlagen. Die elastische Modellierung der Werkzeuge wurde mit einer systematischen Vorgehensweise hinterlegt und zeigt bei konsequenter Anwendung signifikant reduzierte Berechnungszeiten. Die Berücksichtigung der Ziehstäbe erfolgt in dieser Arbeit aufgrund der Einschränkungen des verwendeten FE-Solvers als Strukturmodell. Zusätzlich wurde ein Modellierungsansatz vorgestellt, welcher die analytische Berücksichtigung der Ziehstäbe auf elastischen Werkzeugstrukturen ermöglicht. Damit steht jetzt ein Prozessmodell mit den relevanten Maschinen- und Werkzeugeigenschaften zur Verfügung, welches durch eine einfache Parametrierung auf die jeweilige Prozess-Maschinen-Konfiguration angepasst werden kann. Dies ermöglicht eine deutlich genauere Abbildung des Pinolentragbildes, der daraus resultierenden Niederhalterdruckverteilung und damit des Materialeinzuges in die Matrize. Dieses erweiterte Prozessmodell ist damit in der Lage eine virtuelle Inbetriebnahme der Werkzeuge zu unterstützen und in Zukunft eine weitere Verkürzung des Inbetriebnahmeprozesses zu ermöglichen.