L’utilisation des thermoplastiques renforcés de fibres de verre courtes pour la fabrication de pièces de structure dans l’industrie des transports est croissante pour des applications structurelles en environnements chauds. La conception de telles pièces nécessite le développement d’un outil de dimensionnement en fatigue à hautes températures. La prise en compte de la distribution d’orientation des fibres (DOF), dû au procédé d’injection, hétérogène est essentielle.Ces travaux de thèse, cofinancés par la Direction Générale de l’Armement et la région Poitou-Charentes, proposent une approche complétement intégrée de la simulation du procédé d’injection à la prédiction de durée de vie en fatigue, dans un cadre viscoélastique, de pièces injectées en thermoplastiques renforcés, à 110°C.Différentes étapes jalonnent la structure de l’outil numérique qualifié de « Through Process Modelling » (TPM). A partir de la connaissance de la DOF au sein d’une pièce obtenue par simulation du procédé d’injection, les propriétés effectives anisotropes locales sont estimées par homogénéisation viscoélastique. Les champs mécaniques hétérogènes, associés à différents types/niveaux de chargement et obtenus par simulation éléments finis, sont post-traités pour extraire la grandeur mécanique équivalente en entrée d’un critère de fatigue énergétique fournissant la durée de vie de la pièce pour chacune de ces conditions de chargement.L’identification des paramètres du critère de fatigue, puis la validation de l’ensemble de la méthodologie, s’appuient sur des essais de fatigue en traction uniaxiale à 110°C. Ces essais sont réalisés, en enceinte climatique, sur éprouvettes découpées dans des plaques injectées de PA66GF30 selon différentes orientations par rapport à la direction d’injection, pour 2 rapports de charge (R = 0,1 et R = -1) et à 2Hz.Les prédictions de durées de vie sont très satisfaisantes. L’influence de la qualité de prédiction de la DOF en entrée de la chaîne de calcul sur les résultats est aussi discutée. / The employment of short glass fibres reinforced thermoplastics is increasing in the automotive industry for hot environment applications. The design of components in such conditions and with this type of materials under fatigue loading must be optimized using a fatigue life assessment methodology. The heterogeneous fibres orientation distribution (FOD), due to the injection process should be considered.This work, funded by the Direction Générale de l’Armement et Région Poitou-Charentes, suggests an integrated approach from the injection process simulation to the assessment of the fatigue life at 110°C of injected components in a viscoelastic framework.The methodology here advanced is called “Through Process Modelling” (TPM). From the FOD in the component given by the injection simulation, the anisotropic effective local properties are estimated using viscoelastic homogenisation. The heterogeneous mechanical fields obtained by finite element simulations, for different types/levels of loading, are post-processed in order to get the input equivalent mechanical quantity of an energetic fatigue criterion giving the fatigue life of the component in each of these loading conditions.The identification of the fatigue criterion parameters and the validation of the whole methodology rely on an experimental fatigue database for a PA66GF30. Uniaxial tensile fatigue tests are carried out at 110°C in a climatic chamber, for 2 stress ratios (R = 0,1 and R = -1) and at 2Hz. They are performed for specimens cut out from injected plates with different orientations with respect to the flow direction.The methodology leads to very good predictions. The influence of the prediction of the FOD, input of the calculation chain, on the results is discussed.

Le secteur des transports aéronautiques, navals et terrestres fait de plus en plus appel pour les pièces d'habitacles ou de structure à des composites techniques de type thermoplastique thermostable renforcé par des fibres courtes. Ces matériaux alliant légèreté et résistance présentent l’intérêt majeur d’une meilleure recyclabilité d’une facilité de mise en œuvre et de maintenance que les matrices thermodurcissables dans les composites classiques. Toutefois, le développement de modèles de comportement dans le but de dimensionner des structures reste un véritable challenge. L’objectif de cette thèse concerne la modélisation du comportement de ce type de composite soumis à des chargements monotone et cyclique. Une étude expérimental a permis la détermination du comportement de chacun des constituants du composite. Leur comportement a ensuite été utilisé dans un calcul d'homogénéisation en champs complet basé sur une méthode FFT. Le comportement du composite est ensuite modélisé à l'aide d'un modèle visco-élastique spectral. Finalement, l'évolution des paramètres de ce modèle est étudiée en faisant varier la microstructure du composite (taux de fibre, dispersion d'orientation) afin d'établir un méta-modèle permettant de prédire le comportement du composite rapidement, et efficacement. / Transportation industries uses more and more composite materials each year. These composite materials provide a good alternative to classic materials thanks to their good specific resistances and stiffness. Short fiber composite materials and well suited for automotive applications, thanks to their ability to be used in injection process inducing very short fabrication cycles. But, the modeling of the behavior of these materials remains a challenge to this day. In this PhD work, an experimental characterization of a PEEK / short glass fiber composite has been conducted. A precise study of the PEEK behaior have also been conducted. The PEEK behavior was then used in an full field homogenization method based on FFT to obtain an effective behavior of the composite. A visco-elastic model was then used to model its behavior. Finally, a meta-model is build to accelerate the modeling process by studying the variation of the composite behavior with its microstructure parameters.

La réalisation des moules pour l'injection des thermoplastiques demande un gros investissement financier; en conséquence, les industriels souhaitent parvenir à prédire correctement la géométrie finale des pièces injectées. Pour cela, un calcul rhéologique couplé à un calcul thermo-mécanique par éléments finis dans le solide doit être mené et requiert les propriétés du matériau. Aujourd'hui, les propriétés mécaniques des matériaux utilisées dans les codes de calcul ne sont généralement ni thermo-dépendantes, ni directement dépendantes de l'orientation locale des fibres. L'objectif de cette étude est de parvenir à prédire les propriétés élastiques et les coefficients de dilatation de composites injectés et chargés de fibres courtes, en ayant recours à des techniques d'homogénéisation. L'originalité du travail réside dans le fait d'estimer ces propriétés sur une large gamme de température en fonction de l'orientation locale des fibres. Une 1ère partie présente les techniques de mesure de l'état d'orientation des fibres: dans le cas particulier de l'injection où la plupart des fibres sont contenues dans un plan, nous avons mis au point une nouvelle méthode rapide et précise afin de déterminer l'orientation spatiale des fibres. Elle consiste à analyser l'image, prise au microscope électronique à balayage, d'un seul plan de coupe incliné par rapport à la direction d'injection. Dans une 2ème partie, les propriétés thermo-élastiques des composites sont obtenues par le modèle de Mori-Tanaka. Pour tenir compte de l'orientation, plusieurs méthodologies sont évaluées. Finalement, nous proposons d'utiliser une fonction capable de décrire la forme de la distribution d'orientation et dont les paramètres sont identifiés à partir du tenseur d'orientation d'ordre 2. Les prédictions obtenues sont cohérentes avec les mesures de modules d'Young et de coefficients de dilatation.

Cette étude porte sur la mise en forme des matériaux composites renforcés par des fibres ou des mèches de fibres courtes tels que les SMC ou les BMC. Un travail expérimental a dans un premier temps été réalisé à l'échelle macroscopique. Ce travail a permis de mettre au point un rhéomètre de compression lubrifiée ainsi que des méthodes d'essais et de dépouillement. Ceci permet de mieux caractériser la rhéologie des compounds SMC et BMC en traitant les problématiques de leur compressibilité et des frottements éventuels entre les parois du rhéomètre et la matière déformée. Un travail numérique a ensuite permis de simuler la mise en forme d'un BMC après l'identification des paramètres d'un modèle rhéologique simple à partir des données expérimentales obtenues sur le rhéomètre. Enfin, un travail expérimental à l'échelle microscopique a permis d'une part de caractériser finement les microstuctures de SMC modèles à partir de microtomographies à rayons X, et d'autre part de caractériser et de modéliser par le biais d'essais d'extraction de fibres les interactions entre les mèches formant le renfort fibreux de ces matériaux.

Durant ces dernières décennies les matériaux composites organiques ont subi un très grand essor dans le domaine des structures aéronautiques. Leur principal avantage est d’alléger les structures tout en gardant de bonnes propriétés mécaniques. De plus, leur microstructure leur permet d’avoir un caractère multi-fonctionnel, ce qui facilite leur intégration pour remplacer les technologies existantes. Dans l’industrie aéronautique, il existe un besoin croissant de grande quantité de petite et moyenne pièces (clips, éléments de jonctions). Cependant, il est aujourd’hui difficile de fabriquer en série des pièces ayant des formes tridimensionnelles complexes par des procédés conventionnels (autoclave). Ainsi, l’orientation envisagée est d’utiliser les procédés de la « famille » automobile pour des applications aéronautiques « semi-structurales », comme le moulage par injection de composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes. Cette application nécessite une maîtrise et une fiabilisation du procédé ainsi que des propriétés induites. Ceci a été réalisé par l’identification et la quantification des effets des paramètres qui influent significativement sur la microstructure et les propriétés macroscopiques, par un plan d’expériences. De plus, le dimensionnement de telles pièces requiert une modélisation robuste du comportement mécanique pour prédire au mieux leur capacité d’utilisation. Les données sur la microstructure ont permis d’alimenter un modèle micromécanique comportant un critère d’endommagement de l’interface fibre/matrice. Développé sur un code éléments finis industriel, il a permis de prédire les résultats expérimentaux d’une pièce industrielle. / During the last decades, organic composite materials have undergone great development in the field of aeronautical structures. Their main avantage is to reduce the structures weight while maintaining good mechanical properties. In addition, their microstructure allows them to have a multi-fuctional nature, which facilitates their integration to replace existing technologies. In the aviation industry, there is a growing need for large amount of small and medium parts (clips, connecting elements). However, nowadays it is difficult to produce parts with complex by conventional methods dimensional shapes (autoclave). Thus, the considered path is tu use methods of the automotive “family” for “semi-structual” aerospace applications such as injection-moulding of thermoplastic composites reinforced by short fibres. This application requires a mastery and reliability of the process and the induced properties. This was achieved by the identification and quantification of the parameters effects that significantly influence the microstructure and macroscopic properties, by a design of experiments. Moreover, the dimensioning of such parts requires a robust mechanical behabior modelling to predict the best use of their capacity. The data on the microstructure enable to feed a micromechanical model featuring damage criteria of the fiber/matrics interface. Developed on a industrial finite element code, it was used to predict the experimental results of an industrial part.

L’utilisation de composites à matrice thermoplastique renforcée par fibres courtes (TRFC) connait une forte croissance pour une large gamme d’applications industrielles pour des conditions de chargement extrêmes (e.g. pare-chocs d’automobiles). Il est donc indispensable de développer des modèles de comportement des TRFC tenant compte des spécificités du matériau pour une large gamme de vitesse de déformation. Toutefois, le comportement de ces composites est complexe. Cette complexité est due, en premier lieu, au comportement viscoélastique (VE)-viscoplastique (VP) de la matrice avec une sensibilité à la pression. A cela s’ajoute les caractéristiques complexes du renfort en termes de distributions d’orientation des fibres courtes. De plus, le comportement de ces composites est affecté par des phénomènes d’endommagement coexistants (e.g. endommagement de la matrice et décohésion l’interface fibre/matrice). Dans ce travail, un modèle permettant la prise en compte de l’ensemble de ces phénomènes est proposé. Sa formulation est basée sur la décomposition du matériau en un milieu matriciel et plusieurs milieux de fibres, sur la base d’une décomposition additive du potentiel thermodynamique. Cette approche permet une implémentation simplifiée avec une résolution successive (mais non indépendante) du comportement de chaque milieu. Un avantage immédiat est la possibilité de prendre en compte tout type de comportement matriciel et tout type d’orientation. L’interface fibre/matrice, siège de la transmission de l’effort est modélisée par un transfert par cisaillement, avec sur une hypothèse locale d’iso-déformation dans la direction de la fibre. L’endommagement ductile de la matrice est pris en compte par un modèle d’endommagement anisotrope. La dégradation de l’interface fibre/matrice est décrite par un modèle de décohésion initiée en pointe de fibres. Un critère de rupture se basant sur le taux maximal de vide crée par décohésion est enfin introduit. La caractérisation du modèle est basée sur des campagnes d’essais quasi-statiques et dynamiques pour le cas de polypropylène pur et renforcé par fibres courtes de verre, à différents angles de chargement par rapport à la direction d’injection. Ces essais sont complétés par des observations au microtomographe permettant la caractérisation des distributions d’orientation locale des fibres. Des observations au MEB ont enfin permis de constater une éventuelle influence de la vitesse de sollicitation sur les mécanismes d’endommagement. / Short fibre-reinforced composites are commonly used in a variety of engineering applications, including automotive and aerospace industry. Today, their use is progressively extended to parts possibly subjected to severe loading conditions (e.g. crash...), characterised by high strain rates. Therefore, an efficient modelling that takes into account material’s specificities at a large strain rate range is needed. A constitutive model of viscous behaviour of short-fibre reinforced composites (SFRC) where complex distributions of fibre orientations are taken into account is proposed in this work. The approach considered for the computation of composite macroscopic behavior is based on an additive decomposition of the state potential. The SFRC is assimilated to an assembly of several fibre media embedded in a polymeric matrix medium. One of the main assets of this approach is the possibility to model reinforcement with complex distributions of fibre orientations. Moreover, this decomposition allows the implementation of complex behaviour laws coupled with damage models. The polymeric matrix behaviour is typically strain-rate sensitive, i.e. viscoelastic-viscoplastic. This property has to be taken into account when the modelling of the composite behaviour over a large range of strain rate is intended. Therefore, a viscoelastic constitutive model, based on generalised Maxwell model, and a viscoplastic correction scheme, based on an overstress approach, are implemented for matrix material. The developed constitutive model is then coupled to two damage laws. The first one is introduced in the framework of Continuum Damage Mechanics in order to model the anisotropic ductile damage behaviour of the matrix material. The second one deals with fibre/matrix interfacial degradation through an interfacial debonding law. In order to identify the parameters involved in the present model, experimental tests are performed (case of polypropylene reinforced with short glass fibres). Microcomputed tomography is used for the characterisation of the fibres distribution of orientation. The efficiency of the proposed model is demonstrated by comparisons between numerical and experimental responses in different loading conditions, including dynamic loadings.

Ce travail porte sur la mise en forme des matériaux composites à matrice polymère renforcée par des fibres courtes dont les performances physiques et mécaniques sont directement reliées à la distribution spatiale et à l’orientation des renforts employés. Il se focalise sur l’étude des mécanismes de déformation se produisant au cours de l’écoulement de ces systèmes qui se comportent comme des suspensions de fibres non-newtoniennes. Le problème est abordé par une procédure originale combinant images 3D acquises en temps réel et simulations numériques avancées, réalisées à l’échelle des fibres. Dans le premier cas, des suspensions modèles avec fluide suspensif non-newtonien ont été déformées en compression dans des conditions confinées dans un microtomographe à rayons X synchrotron. Cette technique a permis l’acquisition en temps réel de clichés 3D à forte résolution spatiale de l’écoulement des suspensions. Dans le deuxième cas, un code de calculs éléments finis 3D a été utilisé, celui-ci étant capable de décrire finement des objets immergés dans des fluides non-newtoniens, par des level-sets et des techniques de remaillage anisotrope. La pertinence des simulations numériques dans les régimes de concentration dilués à semi-dilués a été jaugée par une comparaison expériences-simulations avancée.De là, dans le régime de concentration dilué, nous montrons que le confinement de l’écoulement et le comportement rhéofluidifiant du fluide suspensif ont une influence mineure sur la cinématique des fibres, si ces dernières sont suffisamment éloignées des plateaux de compression. Si ce prérequis n’est pas respecté, l’effet du confinement devient important. Des modifications au modèle heuristique d’haltère de la littérature ont été proposées pour corriger la cinématique de fibres. Dans le régime semi-dilué, des déviations de la cinématique de fibres sont également observées au cœur des suspensions. Ces déviations sont principalement liées aux interactions hydrodynamiques entre fibres suffisamment voisines. La cinématique des fibres prédite par le modèle de Jeffery et les approximations de champ affine sont mises en défaut. Dans le régime concentré, si l’évolution de l’orientation globale de la suspension est étonnamment bien décrite par l’équation de Jeffery, de très importantes fluctuations des champs de translation et de rotation des fibres sont observées à l’échelle des fibres. Celles-ci sont induites par les nombreux contacts entre fibres qui peuvent par ailleurs être correctement prédits par le modèle de tube. / This study focuses on the processing of short fibre-reinforced polymer composites. The physical and mechanical properties of these materials are mainly affected by the position and orientation distribution of fibres induced during their forming. Thus, we analysed the flow-induced micro-mechanisms that arose at the fibre scale during the forming stage of these complex systems which behave as non-Newtonian fibre suspensions. For that purpose, an original approach was developed by combining 3D imaging technique and direct numerical simulation, both performed at the fibre scale. Hence, several model fibre suspensions with a non-Newtonian suspending fluid and with a concentration regime that ranged from dilute to concentrated were prepared . They were subjected to confined lubricated compression loadings using a rheometer mounted on a synchrotron X-ray microtomograph. Thanks to very short scanning times, 3D images of the evolving fibrous microstructures at high spatial resolution were recorded in real-time. These experiments were also simulated using a dedicated Finite Element library enabling an accurate description of fibre kinematics in complex suspending fluids thanks to high performance computation, level sets and adaptive anisotropic meshing. The efficiency of the numerical simulation from the dilute to semi-dilute concentration regimes was assessed through experimental and numerical comparisons.Then, we showed that the confinement effect and the non-Newtonian rheology of the suspending fluid had a weak effect on the fibre kinematics, if the fibres were sufficiently far from the compression platens, typically the fibre-platen distance should be larger than twice the fibre diameter. Otherwise, confinement effects occurred. Some extensions of the dumbbell model were proposed to correct the fibre kinematics in this flow conditions. In semi-dilute concentration, deviations of the fibre kinematics compared to the Jeffery’s predictions were also observed and related to hydrodynamic interactions between fibres. In this case, the predictions of Jeffery’s model and the related assumption of affine fibre motions are less relevant. In the concentrated regime, even if the overall orientation of fibre suspension could be astonishingly well described by using the Jeffery’s model, strong fluctuations on each fibre motion and rotation were observed. These deviations were induced by the numerous fibre-fibre contacts, which could be correctly predicted by the tube model.

Cette étude porte sur la mise en forme des matériaux composites renforcés par des fibres ou des mèches de fibres courtes tels que les SMC ou les BMC. Un travail expérimental a dans un premier temps été réalisé à l’échelle macroscopique. Ce travail a permis de mettre au point un rhéomètre de compression lubrifiée ainsi que des méthodes d’essais et de dépouillement. Ceci permet de mieux caractériser la rhéologie des compounds SMC et BMC en traitant les problématiques de leur compressibilité et des frottements éventuels entre les parois du rhéomètre et la matière déformée. Un travail numérique a ensuite permis de simuler la mise en forme d’un BMC après l’identification des paramètres d’un modèle rhéologique simple à partir des données expérimentales obtenues sur le rhéomètre. Enfin, un travail expérimental à l’échelle microscopique a permis d’une part de caractériser finement les microstuctures de SMC modèles à partir de microtomographies à rayons X, et d’autre part de caractériser et de modéliser par le biais d’essais d’extraction de fibres les interactions entre les mèches formant le renfort fibreux de ces matériaux. / This study focuses on the processing of composite materials reinforced with short fibres or fibres bundles such as SMC or BMC. Firstly, an experimental work was carried-out at the macroscopic scale. This work led to the development of a lubricated compression rheometer and associated analysis methods to better characterize the rheology of SMC and BMC compounds, by accounting for the compressibility of compounds and the possible friction between the rheometer wall and the flowing composite. Numerical simulation was then achieved in order to simulate the forming of a BMC. For that purpose, the constitutive parameters of a simple tensorial rheological model were determined from experimental data obtained with the rheometer. Finally, an experimental work at the microscopic level allowed (i) the microstuctures of SMC models from X-ray microtomography micrographs and (ii) fibre pull-out experiment to be characterized, and the interaction mechanisms between the fiber bundles forming the fiber reinforcement of these materials to be modelled.

Cette étude présente la caractérisation du comportement mécanique et la tenue en fatigue d’un composite thermoplastique à matrice PEEK renforcée en fibres de carbone courtes pour des applications aéronautiques. La première partie présente la description des matériaux étudiés ainsi que la mise en place d’un protocole de caractérisation de la microstructure. Il est alors mis en avant la nécessité de générer des éprouvettes de caractérisation simples en introduisant le concept d’éprouvettes amincies. Dans un second temps, la méthode d’auto-échauffement en régime transitoire est appliquée en concluant sur l’influence de différents paramètres sur le bilan énergétique tels que la microstructure ou le grade du matériau étudié. La troisième partie présente l’établissement d’une loi de comportement phénoménologique avec une prise en compte locale de l’anisotropie par des approches micromécaniques classiques. Les simulations mécanique et énergétique donnent des résultats corrélant très bien avec l’expérimentale pour une distribution d’orientation proche de 0° et des résultats moins convaincants pour une distribution d’orientation proche de 90°. La dernière partie présente l’utilisation d’un protocole de caractérisation rapide basé sur les essais d’auto-échauffement. Cette approche, validée pour les différents matériaux étudiés, permet de prédire la courbe d’endurance en fatigue déterministe avec une seule éprouvette et en une demi-journée d’essais. Il est également mis en évidence qu’un critère énergétique à deux paramètres est indépendant de la distribution d’orientation, et qu’il est possible de discriminer rapidement en fatigue les différents matériaux étudiés. / This study deals with characterization of the mechanical behavior and the fatigue lifetime of a short carbon fibers reinforced PEEKmatrix thermoplastic composite. The first part presents the description of the materials studied and the implementation of the characterization of the microstructure. It’s then emphasized the need to generate simple characterization samples by introducing the concept of thin specimens. In a second step, the heat build-up protocol is applied on the studied materials. It is then highligthed the influence on the energetic assessment of various parameters as the microstructure or the choice of material. The third part presents the etablishment of a phenomenological law of behavior with a local consideration of anisotropy using conventional micromechanical approaches. The mechanical and energetic simulations give resultats correlating very well with the experimental ones for a distribution of orientation close to 0°. The last part presents the use of the heat build-up technique to predict the fatigue lifetime. This approach uses an energetic criterion with two parameters and is able to predict the deterministic fatigue curve with one sample, in half a day. It is then shown the capability to catch the influence of the variations of matrix grade and fibers content on the fatigue properties and validates the use of the technique for fastmaterials screening.