One of the most critical issues for Polymer Matrix Composites (PMCs) in naval applications is the structural performance of composites at high temperature such as that experienced in a fire. A three-dimensional model including the effect of orthotropic viscoelasticity and decomposition is developed to predict the thermo-mechanical behavior and compressive failure of polymer matrix composites (PMCs) subjected to heat and compressive load. An overlaid element technique is proposed for incorporating the model into commercial finite element software ABAQUS. The technique is employed with the user subroutines to provide practicing engineers a convenient tool to perform analysis and design studies on composite materials subjected to combined fire exposure and mechanical loading. The resulting code is verified and validated by comparing its results with other numerical results and experimentally measured data from the one-sided heating of composites at small (coupon) scale and intermediate scale. The good agreement obtained indicates the capability of the model to predict material behavior for different composite material systems with different fiber stacking sequences, different sample sizes, and different combined thermo-mechanical loadings. In addition, an experimental technique utilizing Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) is developed to manufacture PMCs with a hypodermic needle inserted for internal pressure measurement. One-sided heating tests are conducted on the glass/vinyl ester composites to measure the pressure at different locations through thickness during the decomposition process. The model is employed to simulate the heating process and predict the internal pressure due to the matrix decomposition. Both predicted and measured results indicate that the range of the internal pressure peak in the designed test is around 1.1-1.3 atmosphere pressure. / Ph. D.

Ce travail de thèse a porté sur la simulation numérique du comportement thermique et mécanique d'un combustible nucléaire à particules. Il s'agit d'un composite réfractaire constitué d'une matrice de graphite comportant 45 % en fraction volumique de particules sphériquesd'UO2 revêtues de deux couches de pyrocarbone. L'objectif était de développer une modélisationmulti-échelles de ce composite afin d'estimer son comportement moyen, ainsi que les hétérogé-néités des champs mécaniques au sein des constituants. Nous avons modélisé la microstructuredu combustible et généré des échantillons numériques en 3D. Pour cela, des outils de générationde distributions aléatoires de sphères, de maillage et de caractérisation microstructurale, tellela covariance, ont été développés dans le code de calcul Cast3M. Une centaine d'échantillonsnumériques de différentes tailles ont été réalisés. Le comportement thermo-élastique du combustiblea été caractérisé à partir de ces échantillons, à l'aide de calculs de microstructures paréléments finis. Nous avons étudié l'influence de divers paramètres de la modélisation, dont lesconditions aux limites. Nous proposons une méthode pour s'affranchir des effets des conditionsaux limites sur les résultats, appelée méthode d'érosion. Elle s'appuie sur l'analyse des résultatssur un érodé du volume élémentaire. Nous avons alors déterminé les propriétés effectives ducomposite (modules d'élasticité, conductivité thermique, dilatation thermique), ainsi que lesdistributions des champs mécaniques locaux au sein de la matrice. Enfin, nous avons proposéun modèle de changement d'échelles permettant d'obtenir, non seulement les valeurs moyennesdes variables mécaniques dans chaque phase, mais également leurs variances et covariances pourtout chargement macroscopique imposé. Cette approche statistique de changement d'échellespermet ainsi d'estimer la distribution des grandeurs mécaniques au sein de chaque phase ducomposite. / The aim of this work was to perform numerical simulations of the thermal and mechanical behavior of a particle-based nuclear fuel. This is a refractory composite material made of UO2spherical particles which are coated with two layers of pyrocarbon and embedded in a graphitematrix at a high volume fraction (45 %). The objective was to develop a multi-scale modelingof this composite material which can estimate its mean behavior as well as the heterogeneity ofthe local mechanical variables. The first part of this work was dedicated to the modeling of themicrostructure in 3D. To do this, we developed tools to generate random distributions of spheres,meshes and to characterize the morphology of the microstructure towards the finite elementcode Cast3M. A hundred of numerical samples of the composite were created. The secondpart was devoted to the characterization of the thermo-elastic behavior by the finite elementmodeling of the samples. We studied the influence of different modeling parameters, one of themis the boundary conditions. We proposed a method to vanish the boundary conditions effectsfrom the computed solution by analyzing it on an internal sub-volume of the sample obtained byerosion. Then, we determined the effective properties (elastic moduli, thermal conductivity andthermal expansion) and the stress distribution within the matrix. Finally, in the third part weproposed a multi-scale modeling to determine the mean values and the variance and covarianceof the local mechanical variables for any macroscopic load. This statistical approach have beenused to estimate the intra-phase distribution of these variables in the composite material.

Cette étude est consacrée à la modélisation du comportement thermo-mécanique des argiles raides saturées et au développement d'un algorithme d'intégration efficace de contrainte correspondant. Le comportement mécanique de l'argile de Boom naturelle dans des conditions isothermes a été caractérisé. Le modèle Cam Clay modifié (MCC) a été ensuite appliquée pour simuler le comportement de l'argile de Boom naturel. Il a été constaté que le MCC donne des prédictions de mauvaise qualité pour le comportement de l'argile de Boom naturel. Ainsi, un modèle Cam Clay (ACC-2) adapté a été développé en introduisant une nouvelle surface de charge et un nouveau potentiel plastique ainsi que d'un mécanisme plastique de Deux surfaces. Ce modèle permet la description satisfaisante des caractéristiques principales du comportement mécanique de l'argile de Boom naturelle. De plus, les équations de ce modèle peuvent être formulées mathématiquement comme dans un modèle élasto-plastique classique. L'algorithme d'intégration de contrainte classique peut donc être appliqué. Les effets thermiques ont été examinés par l'évaluation de la pertinence de trois lois thermomécaniques avancées (Cui et al, 2000; Abuel-Naga et al, 2007; Laloui et François, 2008; 2009). Il apparaît que tous les trois modèles peuvent décrire les caractéristiques principales du comportement thermo-mécanique des argiles saturées. Cependant, chaque modèle a ses limites ou des points peu clairs du point de vue théorique. L'algorithme d'intégration de contrainte du modèle thermo-mécanique de Cui et al. (2000) au point de contrainte a également été développé spécifiquement en utilisant une méthode adaptive du pas de temps. Le temps de calcul nécessaire pour obtenir une précision donnée est ainsi largement réduit pour des chemins de chargements thermiques et mécaniques. Un modèle thermo-mécanique à Deux surfaces (modèle TEAM) a été développé en se basant sur le mécanisme plastique de Deux surfaces. Le modèle proposé a étendu le modèle de Cui et al. (2000) à une formulation de Deux surfaces considérant le couplage entre les déformations plastiques des chemins de chargements thermiques et mécaniques. La simulation des essais drainés montre que ce modèle peut décrire les caractéristiques principales thermo-mécaniques de l'argile de Boom naturelle le long de différents chemins de chargements. Le modèle TEAM a finalement été étendu à des conditions non drainées. Après la clarification du concept des contraintes effectives et la définition d'une condition de déformation volumique, le processus d'échauffement non drainé est analysé. La validité des équations thermo-hydro-mécaniques de ce modèle a été examinée en se basant sur des résultats d'essais typiques / This study is devoted to the thermo-mechanical constitutive modeling for saturated stiff clays and the development of a corresponding efficient stress integration algorithm. The mechanical behavior of natural Boom Clay in isothermal conditions was first characterized. The Modified Cam Clay model (MCC) was then applied to simulate the natural Boom Clay behavior. It has been found that the MCC gives poor-quality predictions of the natural Boom Clay behavior. Thereby, an adapted Cam Clay model (ACC-2) was developed by introducing a new yield surface and a new plastic potential as well as a Two-surface plastic mechanism. This model allows satisfactory prediction of the main features of the mechanical behavior of natural Boom Clay. Moreover, the constitutive equations of this model can be formulated mathematically as in a classic elasto-plastic model. Thus, the classic stress integration algorithm can be applied. The thermal effects were considered by assessing the performance of some advanced thermo-mechanical models (Cui et al., 2000; Abuel-Naga et al., 2007; Laloui and François, 2008; 2009). It appears that all the three models can capture the main features of the thermo-mechanical behavior of saturated clays. However, each constitutive model has its own limitations or unclear points from the theoretical point of view. The stress integration algorithm of the thermo-mechanical model proposed by Cui et al. (2000) at the stress point level was also developed using a specifically designed adaptive time-stepping scheme. The computation time required to achieve a given accuracy is largely reduced with the adaptive sub-stepping considered for both mechanical and thermal loadings. A Two-surface thermo-mechanical model (TEAM model) was developed based on the Two-surface plastic mechanism. The proposed model extends the model of Cui et al. (2000) to a Two-surface formulation, considering the plastic strain coupling between the thermal and the mechanical loading paths. The simulation of drained tests shows that this model can capture the main thermo-mechanical features of natural Boom Clay along different loading paths. The TEAM model was finally extended to undrained conditions. After setting up an appropriate effective stress principle and defining a volumetric strain condition, the undrained heating process was analyzed. The validity of the thermo-hydro-mechanical constitutive equations was examined based on the data from typical tests

This study is devoted to the thermo-mechanical constitutive modeling for saturated stiff clays and the development of a corresponding efficient stress integration algorithm. The mechanical behavior of natural Boom Clay in isothermal conditions was first characterized. The Modified Cam Clay model (MCC) was then applied to simulate the natural Boom Clay behavior. It has been found that the MCC gives poor-quality predictions of the natural Boom Clay behavior. Thereby, an adapted Cam Clay model (ACC-2) was developed by introducing a new yield surface and a new plastic potential as well as a Two-surface plastic mechanism. This model allows satisfactory prediction of the main features of the mechanical behavior of natural Boom Clay. Moreover, the constitutive equations of this model can be formulated mathematically as in a classic elasto-plastic model. Thus, the classic stress integration algorithm can be applied. The thermal effects were considered by assessing the performance of some advanced thermo-mechanical models (Cui et al., 2000; Abuel-Naga et al., 2007; Laloui and François, 2008; 2009). It appears that all the three models can capture the main features of the thermo-mechanical behavior of saturated clays. However, each constitutive model has its own limitations or unclear points from the theoretical point of view. The stress integration algorithm of the thermo-mechanical model proposed by Cui et al. (2000) at the stress point level was also developed using a specifically designed adaptive time-stepping scheme. The computation time required to achieve a given accuracy is largely reduced with the adaptive sub-stepping considered for both mechanical and thermal loadings. A Two-surface thermo-mechanical model (TEAM model) was developed based on the Two-surface plastic mechanism. The proposed model extends the model of Cui et al. (2000) to a Two-surface formulation, considering the plastic strain coupling between the thermal and the mechanical loading paths. The simulation of drained tests shows that this model can capture the main thermo-mechanical features of natural Boom Clay along different loading paths. The TEAM model was finally extended to undrained conditions. After setting up an appropriate effective stress principle and defining a volumetric strain condition, the undrained heating process was analyzed. The validity of the thermo-hydro-mechanical constitutive equations was examined based on the data from typical tests

Dans le domaine du renforcement et/ou de la réparation des structures en béton armé par des matériaux composites à l'aide de la méthode du collage extérieur au moyen d'un adhésif époxy, une des préoccupations de la communauté scientifique est l'intégrité structurelle de ce système dans le cas d'incendie dans lequel la haute température est une caractéristique essentielle et peut atteindre jusqu'à 1200°C. Ce travail de recherche est axé sur le comportement thermomécanique à très haute température des matériaux composites [un composite à base de polymère carbone/ époxy (Carbon Fiber Reinforced Polymer- CFRP), un composite textile/ mortier cimentaire (Textile Reinforced Concrete- TRC) et un adhésif à base d'époxy]. L'évolution des propriétés mécaniques et d'autres aspects mécaniques de ces matériaux composites avec la température a été caractérisée. Une nouvelle procédure expérimentale concernant la mesure de la déformation de l'éprouvette à l'aide du capteur laser est développée et validée. Une étude numérique et expérimentale a été réalisée dans le but de déterminer principalement la température à la rupture des joints « composite/ adhésif/ composite » sous les sollicitations mécaniques et thermiques. L'efficacité de la protection thermique de deux isolants [PROMASPRAY®T (produit commercial de la société PROMAT] et Isolant A (produit développé par le LGCIE site Tusset) a aussi été étudiée dans cette thèse. Enfin, une approche numérique, à l'aide du logiciel ANSYS, est utilisée afin de déterminer, de façon préliminaire et approximative, à l'échelle matériau, les propriétés thermiques des matériaux (composite textile/ mortier cimentaire -TRC et Isolant A) / In the area of the strengthening and/or the reparation of reinforced concrete structures with composites by means of the external bonding method using an epoxy adhesive, one of the preoccupation of the scientific community is the structural integrity of this system in the event of fire in which the high temperature is the essential feature et can reach up to 1200°C. This research focuses on the thermo-mechanical behavior of composite materials [carbon/epoxy adhesive composite (or carbon fiber reinforced polymer (CFRP), textile/cementitious mortar composite (or textile reinforced concrete (TRC)] and an epoxy-based adhesive. The evolution of mechanical properties and other mechanical aspects of these materials with the temperature has been characterized. A new experimental procedure concerning the measurement of sample strain by the laser sensor is developed and validated. An experimental and numerical study has been realized in order to mainly determine the temperature at the failure of "composite/adhesive/composite" joints under thermal and mechanical loadings. The effectiveness of the thermal protection of two insulators [PROMASPRAY®T (a commercial product of the PROMAT company and the insulator A (product developed by the LGCIE site Tuset)] has also been investigated in this PhD thesis. Finally, a numerical approach, using ANSYS software, is used to determine, in the preliminary and approximate way, at material scale, thermal properties of the materials [the textile reinforced concrete (TRC) and the insulator A]