Les composites SiC/SiC pr´esentent d’excellentes propri´et´es thermom´ecaniques `a hautes temp´eratures. Ils apparaissent donc comme des candidats cr´edibles pour remplacer les alliages m´etalliques dans les zones chaudes de moteurs a´eronautiques civils afin d’en r´eduire l’impact environnemental. Comprendre et pr´evoir l’apparition des premiers endommagements constitue donc un enjeu industriel majeur. La d´emarche multi-´echelle propos´ee permet d’int´egrer dans des mod`eles num´eriques les sp´ecificit´es du mat´eriau. Elle s’articule autour d’une phase exp´erimentale de caract´erisation des endommagements et d’une phase de mod´elisation par ´el´ements finis aux ´echelles microscopique et m´esoscopique. Des essais in situ sous microscopes et sous micro-tomographie X (μCT) sont e↵ectu´es pour visualiser et quantifier les m´ecanismes d’endommagement `a des ´echelles compatibles avec les mod`eles num´eriques. Sur la base des observations exp´erimentales, des calculs d’endommagement sont r´ealis´es `a l’´echelle microscopique afin de simuler la fissuration transverse des torons. Des essais virtuels permettent alors d’identifier des lois d’endommagement `a l’´echelle sup´erieure et de mod´eliser l’apparition des premi`eres fissures dans des textures tiss´ees 3D `a l’´echelle m´esoscopique. Cela permet de mettre en ´evidence les liens entre l’organisation du mat´eriau aux di↵´erentes ´echelles et l’initiation des premiers endommagements. Des confrontations essais/calculs sont finalement propos´ees, en comparant notamment les sites d’amor¸cage des endommagements observ´es exp´erimentalement lors des essais in situ sous μCT avec ceux pr´edits par les simulations. / SiC/SiC composites display excellent thermomechanical properties at high temperatures. They appear as promising candidates to replace metallic alloys in hot parts of aircraft engines to reduce their environmental impact. Thus, to understand and to predict the onset of damage in such materials is critical. An integrated multi-scale approach is developed to construct numerical models that integrate the specificities of the material at the di↵erent relevant scales. This work is twofold : an experimental characterization of the damage, and finite element modeling at the microscopic and mesoscopic scales. In situ tensile tests are carried out under microscopes and X-ray micro-tomography (μCT). Images are analyzed to visualize and quantify the damage mechanisms at scales consistent with the numerical models. Based on these observations, damage calculations are performed at the microscopic scale to simulate the transverse yarns cracking. Virtual tests are then used to identify damage laws at the upper scale and to simulate the first cracks in 3D woven composites at the mesoscopic scale. Through these simulations, we highlight the links between the organization of the material at di↵erent scales and the initiation of the damages. Comparisons between experiments and calculations are finally performed. In particular, the predicted damage events are compared to those obtained experimentally on the same specimen during in situ μCT tensile tests.

Les matériaux composites à matrice de carbure de silicium renforcée par des fibres decarbone (C/SiC) sont des composites à matrice céramique (CMC), très prometteurs pour desapplications à haute température, comme le secteur aéronautique. Dans cette thèse, sontmenées des études particulières concernant les propriétés de ces matériaux : prédiction despropriétés mécanique (élastiques), analyses thermiques (optimisation des contraintesthermiques), simulation de l’oxydation à haute température.Une méthode basée sur l’énergie de déformation est proposée pour la prédiction desconstantes élastiques et des coefficients de dilatation thermiques de matériaux compositesorthotropes 3D. Dans cette méthode, les constantes élastiques et les coefficients de dilatationthermique sont obtenus en analysant la relation entre l'énergie de déformation de lamicrostructure et celle du modèle homogénéisé équivalent sous certaines conditions auxlimites thermiques et élastiques. Différents types de matériaux composites sont testés pourvalider le modèle.Différentes configurations géométriques du volume élémentaire représentatif des compositesC/SiC (2D tissés et 3D tressés) sont analysées en détail. Pour ce faire, la méthode énergétiquea été couplée à une analyse éléments finis. Des modèles EF des composites C/SiC ont étédéveloppés et liés à cette méthode énergétique pour évaluer les constantes élastiques et lescoefficients de dilatation thermique. Pour valider la modélisation proposée, les résultatsnumériques sont ensuite comparés à des résultats expérimentaux.Pour poursuivre cette analyse, une nouvelle stratégie d'analyse « globale/locale »(multi-échelle) est développée pour la détermination détaillée des contraintes dans lesstructures composites 2D tissés C/SiC. Sur la base de l'analyse par éléments finis, laprocédure effectue un passage de la structure composite homogénéisée (Echelle macro :modèle global) au modèle détaillé de la fibre (Echelle micro : modèle local). Ce passage entreles deux échelles est réalisé à partir des résultats de l'analyse globale et des conditions auxlimites du modèle local. Les contraintes obtenues via cette approche sont ensuite comparées àcelles obtenues à l’aide d’une analyse EF classique.IVLa prise des contraintes résiduelles thermiques (contraintes d’origine thermique dans lesfibres et la matrice) joue un rôle majeur dans le comportement des composites à matricescéramiques. Leurs valeurs influencent fortement la contrainte de microfissuration de lamatrice. Dans cette thèse, on cherche donc à minimiser cette contrainte résiduelle thermique(TRS) par une méthode d’optimisation de type métaheuristique: Particle Swarm Optimization(PSO), Optimisation par essaims particulaires.Des modèles éléments finis du volume élémentaire représentatif de composites 1-Dunidirectionnels C/SiC avec des interfaces multi-couches sont générés et une analyse paréléments finis est réalisée afin de déterminer les contraintes résiduelles thermiques. Unschéma d'optimisation couple l'algorithme PSO avec la MEF pour réduire les contraintesrésiduelles thermiques dans les composites C/SiC en optimisant les épaisseurs des interfacesmulti-couches.Un modèle numérique est développé pour étudier le processus d'oxydation de microstructureet la dégradation des propriétés élastiques de composites 2-D tissés C/SiC oxydant àtempérature intermédiaire (T<900°C). La microstructure du volume élémentaire représentatifde composite oxydé est modélisée sur la base de la cinétique d'oxydation. La méthode del'énergie de déformation est ensuite appliquée au modèle éléments finis de la microstructureoxydé pour prédire les propriétés élastiques des composites. Les paramètres d'environnement,à savoir, la température et la pression, sont étudiées pour voir leurs influences sur lecomportement d'oxydation de composites C/SiC. / Carbon fiber-reinforced silicon carbide matrix (C/SiC) composite is a ceramic matrixcomposite (CMC) that has considerable promise for use in high-temperature structuralapplications. In this thesis, systematic numerical studies including the prediction of elasticand thermal properties, analysis and optimization of stresses and simulation ofhigh-temperature oxidations are presented for the investigation of C/SiC composites.A strain energy method is firstly proposed for the prediction of the effective elastic constantsand coefficients of thermal expansion (CTEs) of 3D orthotropic composite materials. Thismethod derives the effective elastic tensors and CTEs by analyzing the relationship betweenthe strain energy of the microstructure and that of the homogenized equivalent model underspecific thermo-elastic boundary conditions. Different kinds of composites are tested tovalidate the model.Geometrical configurations of the representative volume cell (RVC) of 2-D woven and 3-Dbraided C/SiC composites are analyzed in details. The finite element models of 2-D wovenand 3-D braided C/SiC composites are then established and combined with the stain energymethod to evaluate the effective elastic constants and CTEs of these composites. Numericalresults obtained by the proposed model are then compared with the results measuredexperimentally.A global/local analysis strategy is developed for the determination of the detailed stresses inthe 2-D woven C/SiC composite structures. On the basis of the finite element analysis, theprocedure is carried out sequentially from the homogenized composite structure of themacro-scale (global model) to the parameterized detailed fiber tow model of the micro-scale(local model). The bridge between two scales is realized by mapping the global analysisresult as the boundary conditions of the local tow model. The stress results by global/localmethod are finally compared to those by conventional finite element analyses.Optimal design for minimizing thermal residual stress (TRS) in 1-D unidirectional C/SiCcomposites is studied. The finite element models of RVC of 1-D unidirectional C/SiCIIcomposites with multi-layer interfaces are generated and finite element analysis is realized todetermine the TRS distributions. An optimization scheme which combines a modifiedParticle Swarm Optimization (PSO) algorithm and the finite element analysis is used toreduce the TRS in the C/SiC composites by controlling the multi-layer interfaces thicknesses.A numerical model is finally developed to study the microstructure oxidation process and thedegradation of elastic properties of 2-D woven C/SiC composites exposed to air oxidizingenvironments at intermediate temperature (T<900°C). The oxidized RVC microstructure ismodeled based on the oxidation kinetics analysis. The strain energy method is then combinedwith the finite element model of oxidized RVC to predict the elastic properties of composites.The environmental parameters, i.e., temperature and pressure are studied to show theirinfluences upon the oxidation behavior of C/SiC composites.