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.

La thèse s'inscrit dans un axe de recherche visant à améliorer les connaissances et prédictions des chargements hydrodynamiques subis par les réservoirs de carburant lors d'impacts balistiques (coup de bélier hydrodynamique) pour améliorer la survivabilité de la structure. Les modèles numériques les plus avancés ne permettent toujours pas de simuler le phénomène complet. De plus les modèles développés sont trop coûteux pour être utilisés lors d'optimisations de réservoirs durant la phase de conception. L'étude proposée consiste à développer un modèle analytique capable de simuler la séquence d'expansion et d'effondrement de la bulle de cavitation et d'utiliser ce modèle pour déterminer les paramètres influant sur les chargements hydrodynamiques lors de coups de bélier hydrodynamiques. La problématique du phénomène de coup de bélier hydrodynamique et l'état de l'art sont présentés dans le premier chapitre du mémoire. Dans le deuxième chapitre, le modèle de Rayleigh-Plesset est modifié pour prendre en compte l'effet de confinement d'un réservoir sphérique sur la dynamique d'expansion de la bulle en négligeant la présence du gaz dans la cavité dans les prédictions des chargements hydrodynamiques. Ce modèle a été appliqué à des cas expérimentaux de coup de bélier, en calibrant un paramètre de confinement lié à la rigidité de la structure. L'étape suivante, présentée dans le troisième chapitre, consiste à évaluer la capacité d'un modèle analytique linéaire élastique (de type plaque) à estimer la valeur du paramètre de confinement. Un bon accord est trouvé entre cette valeur et celle calibrée précédemment, ce qui valide la méthode d'estimation de ce paramètre et supprime la nécessite de la calibration expérimentale. Dans le quatrième chapitre le modèle incompressible de Rayleigh-Plesset est comparé à des simulations explicites éléments finis pour déterminer les effets de l'inertie de la structure et de la compressibilité du liquide sur la dynamique des bulles confinées. Enfin dans le cinquième chapitre un modèle analytique de dynamique de bulles confinées, dans un liquide compressible, est développé et validé. Pour cela une formulation basée sur l'équation de Keller-Miksis est proposée. La pertinence de ce modèle est vérifiée puis il est validé par rapport à des simulations éléments finis, ce qui permet d'estimer l'amélioration apportée par le modèle de Keller-Miksis dans la prédiction des chargements hydrodynamiques par comparaison au modèle de Rayleigh-Plesset. Finalement une analyse critique du travail de thèse et des perspectives sont données. / The context of the thesis consists of improving the knowledge and the predictions of hydrodynamic loads applied on fuel tanks during ballistic impacts (Hydrodynamic Ram) to improve the survivability of aircraft structures. The most advanced numerical models still cannot simulate the entire phenomenon. Moreover, these models are too expensive to be used for optimisation or for design purposes during the tank development stage. The proposed study consists of developing an analytical model capable of simulating the expansion and collapse of the cavitation bubble and to use it to determine the parameters that influence the consecutive hydrodynamic loads. The state of the art hydrodynamic ram problem is first presented. In the second chapter, the Rayleigh-Plesset model is modified to include the stiffness effect of a spherical container on the described bubble dynamics, when neglecting the presence of the bubble gas on the hydrodynamic loads. This model is applied to hydrodynamic ram test cases, by calibrating a confinement parameter which is related to the structure rigidity. The next step, presented in the third chapter evaluates the capacity of an elastic linear analytical model (plate formulae) to provide the value of the confinement parameter. A good agreement is found with the calibrated value in the previous chapter, which validates the method to get this parameter and suppress the need for experimental calibration. In the fourth chapter, the incompressible Rayleigh-Plesset model is compared to explicit finite element simulations to determine the influence of the liquid compressibility and structural inertia on the dynamics of confined bubbles. Then, in the fifth chapter an analytical model for confined bubbles in a compressible liquid is developed. A formulation based on the Keller-Miksis model is proposed. The relevance of this model is verified and it is validated again with respect to finite element simulations. Then the improvement of hydrodynamic loads predictions using this model is estimated by comparison with the Rayleigh-Plesset model. Finality a critical analysis of the thesis work and some outlooks are given.

Ce travail de thèse vise à identifier les mécanismes par lesquels la fraction volumique de charges, la distribution de tailles des charges, le comportement mécanique du liant et les propriétés d’adhésion liant/charge des propergols composites influent sur le comportement mécanique jusqu’à rupture de ces matériaux. Des calculs de microstructures 2D par éléments finis sont mis en œuvre pour caractériser qualitativement l’évolution de la microstructure du composite au cours d’une sollicitation de traction uniaxiale à faible vitesse de déformation. Ils prennent notamment en compte un modèle de zone cohésive pour représenter la décohésion à l’interface liant/charge et un critère original de ruine de la microstructure. Les résultats numériques sont favorablement comparés aux tendances obtenues expérimentalement sur propergols composites industriels et modèles. Par ailleurs, une validation de l’approche qualitative précédente est conduite en effectuant une confrontation quantitative du comportement mécanique et de la variation volumique d’un composite modèle, obtenus par simulation de microstructures 3D et par caractérisations expérimentales. Enfin, la tenue du propergol dans un assemblage propergol/lieur soumis à un test de pelage est étudiée expérimentalement. / This work aims at understanding the relationship between solid propellants particles volume fraction, particles size distribution, binder mechanical properties and binder/particles bonding with the mechanical behavior up to failure of these materials. Finite elements analyses on 2D microstructures are performed in order to qualitatively characterize the microstructure evolution throughout uniaxial tensile loading at small strain rate. These simulations account for the binder/particles debonding with a cohesive zone model and implement an original failure criterion. Simulation and experimental results are consistent. Besides, a quantitative comparison between simulations on 3D microstructures and experimental data is drawn in order to validate the above qualitative results. It is performed on a model composite and compares both the mechanical behavior and the volume variations. At last, the propellant failure during a peeling test of the liner/propellant structure is studied experimentally.

L’intégration des contraintes d’industrialisation, des pièces en matériaux composites, en conception préliminaire, est un enjeu majeur de la compétitivité des entreprises, et s’inscrit dans une démarche de développement durable. Un travail de captation et de mise en forme de la connaissance industrielle a permis de développer une stratégie d’optimisation. Cette stratégie repose sur une approche multi-métiers, elle permet d’estimer la performance technique et économique d’une solution d’industrialisation. L’estimation de la performance est basée sur l’évaluation, pour chaque solution d’industrialisation, du risque de rupture du composant assemblé, du niveau d’intégration fonctionnelle et du coût de fabrication. La définition de la meilleure alternative est obtenue par la comparaison de la performance de solutions et s’appuie sur des méthodes et outils d’aide à la décision. Le risque de rupture est estimé à partir des écarts entre des caractéristiques de la pièce fabriquée par procédé Resin Transfer Molding (RTM) et les caractéristiques nominales. Les caractéristiques de la pièce fabriquée prises en compte sont : - les écarts géométriques, - les écarts de caractéristiques mécaniques. Dans l’industrie aéronautique, certaines pièces de structure en matériaux composites sont réalisées par le procédé RTM. Dans ce type de mise en forme, les caractéristiques mécaniques du composant sont directement liées au niveau d’imprégnation de la préforme. Dans le travail de thèse, les défauts d’imprégnation sont identifiés comme des écarts volumiques d’imprégnation. Ces écarts ont pour conséquence d’altérer les propriétés mécaniques du matériau qui constitue la pièce. L’estimation des écarts volumiques d’imprégnation est obtenue à partir de l’analyse des résultats de la simulation par éléments finis de l’écoulement de résine dans le renfort fibreux (logiciel Pam RTM®). La géométrie de la pièce obtenue par procédé RTM diffère de la géométrie nominale, cet écart est due en partie aux différences entre les caractéristiques physiques des constituants du matériau composite. Les variations géométriques de la pièce fabriquée sont identifiées comme des écarts géométriques de fabrication. Les écarts géométriques sont compensés, lors de la phase d’assemblage, par des déformations garantissant les contacts avec les pièces adjacentes. Ces déformations génèrent un état de contraintes mécaniques au sein de la pièce. La quantification de l’état de contraintes mécaniques est obtenue à partir d’une simulation thermomécanique par éléments finis réalisée par le logiciel Samcef®. L’aide à la décision est basée sur l’étude combinée de l’état de contraintes mécaniques due à la compensation des écarts géométriques et de l’incidence des écarts volumiques d’imprégnation sur les propriétés mécaniques de la pièce. Trois critères permettent d’estimer le risque de rupture du composant assemblé : un critère de rupture des matériaux composites quantifie le risque de rupture, les deux autres critères, prenant en compte les défauts d’imprégnation, majorent le risque de rupture. Afin de faciliter l’interprétation des résultats et la phase de comparaison de solutions, le risque de rupture est présenté sous forme d’une cartographie. En fonction des couplages des valeurs des critères, une optimisation de la conception et/ou de l’industrialisation est proposée. Une évaluation du niveau d’intégration fonctionnelle ainsi que du coût de fabrication complète la démarche d’aide à la décision. / Integrating industrialization constraints of composite materials into preliminary design is a major challenge for companies in terms of competitiveness, and is part of a sustainable development approach. Work on capturing and formatting industry knowledge has helped develop a design optimization strategy. This strategy is based on multidisciplinary rules, and estimates the technical and economic performance of an industrialization solution. This estimate is based on the evaluation of failure risk of component assembly, level of functional integration and manufacturing cost. The definition of the best alternative is obtained by comparing solution performances, relying on decision support methods and tools. The failure risk is estimated from differences between the characteristics of the part manufactured by Resin Transfer Molding Process (RTM) and the nominal part (CAD). The following characteristics of the manufactured part are taken into account: ? - geometric deviations, ? - characteristic mechanical deviations. In the aviation industry, some structural composite parts are manufacture by RTM. In this type of manufacture, the mechanical properties of the component are directly related to the level of preform impregnation. In this thesis, the impregnation defects are identified as volumic impregnation deviations. These deviations have the effect of altering the mechanical properties of material. Estimated volume impregnation deviations are obtained by analysing the results of the finite element simulation of resin flow into the fibrous reinforcement (software Pam RTM ®). The part geometry obtained using the RTM process differs from the nominal geometry, with the deviation due partly to differences between the physical components of the composite material. The geometric variations in the manufactured part are identified as geometric manufacturing deviations. These geometric deviations are offset, in the assembly phase, by deformations due to contact with adjacent parts, which generate a state of mechanical stress within the part. The mechanical stress state is quantified from a finite element thermomechanical simulation carried out using the Samcef ® software. Decision support is based on the combined study of the state of mechanical stress due to the compensation of geometric deviations and the incidence of volume impregnation deviations on the mechanical properties of the part. Three criteria are used to estimate the failure risk of the assembled component: a composite materials failure criterion quantifies failure risk; the other two criteria, taking into account the impregnation defects, increase the failure risk. To facilitate interpretation of results and the solution comparison phase, the failure risk is represented by mapping. Depending on the coupling values of the criteria, optimizing the design and/or industrialization is proposed. An evaluation of the level of functional integration and manufacturing cost complete the decision support process.