Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'un des défis majeurs de la simulation numérique de la résistance au crash des structures composites aéronautiques est de pouvoir prédire les endommagements, leur initiation, leur évolution au cours de l'écrasement, et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériaux. Le but de la thèse est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans l'écrasement des composites à renforts tissés taffetas (plain weave PW) fabriqués en ou hors autoclave à base d'Époxyde et de fibres de carbone et de développer un modèle numérique performant. Ce rapport présente une investigation numérique et expérimentale effectuée au sein du département de Génie Mécanique à l'Université Laval dans le cadre du projet CRIAQ Comp-410 "Impact Modeling of Composite Aircraft Structures" en collaboration avec l'Université de Waterloo, Bombardier Aerospace, Bell Helicopter, le conseil national de recherche du Canada et DRDC-Valcartier. L'objectif principal est de développer des méthodes de simulations numériques prédictives pour différentes vitesses de crash des composites tissés. La démarche consiste en deux grandes étapes, une étude du crash en quasi statique et une autre étude dynamique pour voir l'effet du taux d'endommagement. Des simulations numériques avec des modèles de comportements existants dans les codes commerciaux éléments finis ont été effectuées afin de déceler les avantages et les inconvénients de chaque modèle, ensuite, un nouveau modèle 3D est développé pour tenir compte principalement, du délaminage, de la fragmentation, des bandes de pliage, de l'inélasticité et de l'endommagement. En parallèle, un plan expérimental est mis en œuvre pour la validation des différents modèles numériques et pour faire une étude paramétrique des différents paramètres influents, tels que, la forme des sections des éprouvettes, les initiateurs de crash, l'effet de l'échelle des éprouvettes et les séquences d'empilement. La mise en œuvre d'un modèle mathématique performant pour prédire le comportement mécanique des structures composites soumises au crash est une lourde tâche avec de multiples paramètres de matériaux et mécanismes de déformation à prendre en considération. Cette thèse peut être considérée comme une nouvelle contribution à l'avancement de la compréhension du processus d'endommagement lors du crash des matériaux composites. Le nouveau code numérique éléments finis développé a été validés expérimentalement et une étude de sensibilité des paramètres a été effectuée pour mesurer l'effet et le degré d'influence de chaque paramètre sur la précision de la solution finale. / One of the major challenges of the numerical simulation of the crashworthiness of aeronautical composite structures is to be able to predict damages, their initiation, and evolution during crash, and energy absorbed, from limited material properties. The goal is to improve the understanding of the elementary mechanisms involved during crush of plain weave (PW) fabric CFRP composites made in or out of autoclave to develop a powerful numerical model. This report presents a numerical and experimental investigation carried out within the Department of Mechanical Engineering at Université Laval as part of the CRIAQ Comp-410 project "Impact Modeling of Composite Aircraft Structures" in collaboration with the University of Waterloo, Bombardier Aerospace, Bell Helicopter, National Research Council of Canada and DRDC-Valcartier. The main objective is to develop predictive numerical simulation methods for different crash scenario of woven composites. The approach consists of two main steps, a quasi-static crash study and another dynamic study to see the effect of the strain rate. Numerical simulations with existing material models implemented in finite elements commercial codes were carried out in order to detect the advantages and the disadvantages of each model, then, a new 3D material model is developed to take account, mainly, of delamination, fragmentation, kink-bands, inelasticity and damage. In parallel, an experimental plan is implemented for the validation of the different numerical models and to make a parametric study of the different parameters, such as, the section shapes of the specimens, the triggers, the effect of scale and layup of the specimens. The implementation of a powerful mathematical model to predict the mechanical behavior of composite structures subjected to crash is a heavy task with multiple material parameters and deformation mechanisms to consider. This thesis can be considered as a new contribution to the advancement of the understanding of the process of damage during the crash of composite materials. The new developed material model developed has been validated experimentally and a parameter sensitivity study is performed to measure the effect and degree of influence of each parameter on the accuracy of the final solution.

Dans ce projet, on évalue l'effet du type de traitement et de la taille de la fibre de chanvre pour des applications dans des composites thermoplastiques. La matrice sélectionnée est le polyethylene de haute densité (PEHD). Au total, quatre polyéthylènes/agents couplant ont été sélectionnés pour modifier l'interface fibre-matrice dans le but d'améliorer les propriétés mécaniques du composite. Les objectifs secondaires de cette étude sont: de prétraiter la fibre de chanvre de façon thermomécanique avant son incorporation dans la matrice, de déterminer les paramètres optimaux de mise en oeuvre afin de préparer le matériau composite par extrusion, ainsi que caractériser de façon mécanique les matériaux composites en tension, flexion et impact. Les résultats obtenus indiquent que la farine de chanvre se comporte plutôt bien par rapport aux fibres. De plus, la pression de vapeur lors du traitement thermomécanique ne fait aucune différence sur les propriétés du matériau composite. Aussi, l'ajout d'agent couplant fait une différence dans les propriétés mécaniques des matériaux composites alors que le meilleur agent couplant a été le Dupont WPC-576D. Finalement, le moment d'ajouter l'agent couplant (au prétraitement ou dans l'extrudeuse) ne fait aucune différence sur les propriétés des matériaux composites.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2005. / 2e complément de titre d'après folio administratif car différent sur la page de titre. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 136-142.

Ce projet de doctorat s’inscrit dans le cadre de la valorisation des lignines industrielles pour la production des biocomposites. Il contribue à la réduction des émissions de gaz à effet de serre en remplaçant des polymères synthétiques par des matériaux d’origine renouvelable. On développe plusieurs méthodes afin d’améliorer la compatibilité entre les lignines industrielles et le polyéthylène. Dans la première partie, une revue de littérature est présentée pour mettre en évidence l’effet de l’ajout des lignines sur les propriétés mécaniques, morphologiques et thermiques des thermoplastiques. Les méthodes existantes pour renforcer la compatibilité des composites sont également présentées. Puis, quatre approches pour améliorer la compatibilité entre la lignine Kraft et le polyéthylène de haute densité (HDPE) sont présentées : l’estérification partielle de la lignine, l’estérification superficielle de la lignine, le greffage catalytique du polyéthylène sur la lignine et l’ajout d’un copolymère modifié à base de poly(styrène-éthylène-butylène-styrène) (SEBS). Il apparaît que les SEBS modifiés se comportent comme des agents couplants pour les composites, alors que les trois autres méthodes sont inefficaces pour augmenter les propriétés mécaniques des composites. La deuxième partie est consacrée au développement de nouveaux agents couplants non-réactifs à base de SEBS pour les composites lignine-polyéthylène. Le SEBS est assujetti à la nitration suivie d’une amination pour obtenir des copolymères fonctionnalisés (SEBS-NO2 et SEBS-NH2). On montre que le SEBS-NO2 est moins efficace que le SEBS-NH2, ce dernier présentant une efficacité compatibilisante comparable à celle d’un agent couplant réactif (MAPE). Les propriétés morphologiques et mécaniques des composites lignine-polyéthylène sont améliorées à la suite de l’ajout de SEBS-NH2. Finalement, le greffage radicalaire est proposé comme une méthode facile et à faible coût pour améliorer la compatibilité des composites lignine-polyéthylène. Il s’avère que les radicaux libres engendrent des effets néfastes sur les propriétés mécaniques des matériaux à base de HDPE seul. Par contre, le greffage radicalaire améliore efficacement la compatibilité des composites contenant jusqu’au 60% de la lignine Kraft ou de la lignine Kraft estérifiée. Une étude détaillée de l’effet de l’estérification de la lignine et de l’ajout du générateur de radicaux libres sur les propriétés des composites est rapportée. Mots-clé : Lignine; polyéthylène; composites; compatibilisation; gaz à effet de serre. / This PhD project was carried out to promote the use of industrial lignins in polyethylene biocomposites production, which contributes to decease the generation of greenhouse gases by replacement of synthetic by renewable source polymers. Several methods were developed to improve the compatibility between industrial lignins and polyethylene. In the first part of this work, a literature review is presented in order to clarify the effect of lignin addition on the mechanical, morphological and thermal properties of thermoplastic materials. The existing methods of enhancing lignin-based composites' compatibility are also summarized. Afterwards, four compatibilization approaches for Kraft lignin-HDPE composites are investigated: partial esterification of lignin, surface esterification of lignin, catalytic grafting of polyethylene onto lignin surface, and adding a modified copolymer based on poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) (SEBS). It was found that modified SEBS behaved as compatibilizers for Kraft lignin-HDPE composites, whereas the other three methods failed to increase the mechanical properties of the composites. The second part was devoted to the development of new unreactive compatibilizers based on SEBS for lignin-polyethylene composites. SEBS was subjected to nitration followed by amination in order to obtain functionalized copolymers (SEBS-NO2 and SEBS-NH2). SEBS-NO2 is shown to be less efficient than SEBS-NH2, the latter displaying compatibilizing efficiency comparable to that of a reactive compatibilizer (MAPE). The morphological and mechanical properties of lignin-polyethylene composites are improved by adding SEBS-NH2. Finally, a facile and low-cost method to improve the compatibility of lignin-polyethylene is suggested and investigated, which is radical-mediated melt grafting. It is confirmed that free-radical treatment exerted negative effects on the mechanical properties of neat HDPE. However, melt grafting efficiently improves the compatibility of the composites containing up to 60 wt% of Kraft lignin or esterified lignin. A detailed study of the effect of lignin esterification and adding free-radical generator on the properties of the composites is reported. Keywords: Lignins; polyethylene; composites; compatibilization; greenhouse gases.

Cette thèse porte sur l'étude du remplissage rapide de réservoirs d'hydrogène sous haute pression (700 bars). Durant cette phase, se produisent simultanément une augmentation de la température du gaz et des contraintes internes dues à la pression. Un banc de fatigue thermomécanique instrumenté a été développé afin de simuler ce remplissage rapide sur des éprouvettes simples composées d'un liner en polyuréthane et d'une coque composite carbone/époxy, matériaux constitutifs des réservoirs étudiés. La validation thermique de ce banc a permis de montrer que le polyuréthane est une bonne barrière thermique. Une première étude sur un drapage composite non optimisé a permis de montrer l'influence néfaste de la température et d'un palier de maintien à la charge maximale sur le comportement du multicouche polymère/composite ainsi que l'effet bénéfique de l'alternance des plis du stratifié composite ; des couches épaisses conduisent à une apparition plus précoce de l'endommagement et à des durées de vie plus faibles. Un drapage ‘‘représentatif'' des conditions de service du réservoir a été optimisé par calcul analytique et par éléments finis afin d'atteindre les mêmes niveaux de contraintes maximales dans l'éprouvette sollicitée sur le banc de fatigue thermomécanique que ceux atteint dans le réservoir sous pression. Ces éprouvettes ‘‘représentatives'' conduisent néanmoins à des contraintes de cisaillement plus élevées que dans le réservoir et présentent des effets de bord qui n'existent pas dans le réservoir bobiné. Comme pour les drapages non optimisés, la fatigue thermomécanique conduit à des durées de vie plus faibles qu'en fatigue purement mécanique à 1Hz. L'observation par microscopie optique et par radiographie X des échantillons sollicités montre, en fatigue thermomécanique, une localisation des endommagements dans la partie la plus chauffée du composite alors qu'en fatigue mécanique à 1Hz, les endommagements sont répartis sur toute la longueur des éprouvettes. De plus, la fatigue thermomécanique conduit préférentiellement à des délaminages par rapport aux résultats obtenus en fatigue mécanique à 1Hz. Des mesures de champs de déplacement par corrélation d'images ont permis de mettre en évidence des concentrations de cisaillement sur le drapage ‘‘représentatif'' ainsi qu'un comportement viscoélastique, accentué en présence de cyclage thermique, qui seraient à l'origine des endommagements constatés.

Cette étude porte sur un composite de tissu de chanvre et matrice époxy. Des essais ont d'abord été réalisés sur les constituants. Ils ont montré que le comportement des fils imprégnés par de la résine est plus représentatif du comportement dans le composite que celui des fils secs. Ces essais ont aussi permis de déterminer les paramètres matériaux nécessaires pour l'élaboration d'un modèle par éléments finis d'un pli du composite. Ce modèle est basé sur une simplification de la représentation du tissu. La variabilité des propriétés des constituants a été prise en compte. Les champs de déformation ont été comparés avec ceux mesurés par la technique de DIC à la surface des composites. Des essais de fatigue ont été réalisés sur les composites [0°/90°]7 et [±45°]7. L'échauffement a été mesuré par caméra IR, les endommagements ont été suivis par EA et par une caméra haute résolution. Des observations ont été effectuées par microscopie et par microtomographie X. Une analyse approfondie des mécanismes d'endommagement a été réalisée. Un modèle de courbe SN de fatigue a été adapté aux composites chanvre/époxy étudiés. La tenue à l'impact et le comportement mécanique postimpact du composite chanvre/époxy [0°/90°]7 ont été étudiés. Les résultats ont montré l'influence d'un impact non destructif sur la durée de vie en fatigue de ce composite, et l'évolution de l'endommagement a été analysée. Il a été montré que le modèle des courbes S-N de fatigue peut s'appliquer aux éprouvettes impactées. Il est ainsi possible de prédire la durée de vie en fatigue du composite impacté à partir de sa contrainte à rupture en traction et du comportement en fatigue du matériau sain.

Ce travail de thèse a pour objectif d’analyser le comportement en vibration des composites non-hybrides et hybrides lin-verre. Dans une première partie, une démarche d’analyse modale a été mise en place pour étudier le comportement mécanique et dynamique de ces matériaux. Ceci a permis d’une part, d’identifier les propriétés élastiques et les coefficients d’amortissement de ces composites à partir de leurs fréquences propres, et d’autre part, d’effectuer une comparaison avec les composites traditionnels. La deuxième partie de ce travail est consacrée à une modélisation de l’amortissement des composites non-hybrides et hybrides. Cette modélisation, basée sur la théorie des stratifiés avec cisaillement transverse, a été développée en utilisant la méthode des éléments finis. Plusieurs aspects ont été étudiés comme l’orientation des fibres, la séquence d’empilement, l’architecture des renforts, le choix des séquences d’empilement pour l’hybridation. Cette analyse a conduit enfin à optimiser les performances mécaniques et dissipatives des composites non hybrides et hybrides lin-verre.La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude d’un vieillissement caractérisé par une immersion des matériaux dans l’eau. Dans un premier temps, des essais de vibration ont été réalisés à différentes périodes d’immersion pour identifier l’impact de ce vieillissement sur les propriétés mécaniques et dissipatives des composites non hybrides et hybrides, ainsi que leur évolution en fonction de la durée d’immersion. Enfin, la réversibilité de ces propriétés a été également analysée en effectuant un cycle de vieillissement jusqu’à la saturation puis une opération de séchage. / This PhD research work aimed at analysing the free vibration behaviour of non-hybrid and hybrid flax-glass composites. First, a modal analysis approach was developed to study the mechanical and dynamic behaviour of these materials. Their elastic and damping properties were identified from their natural frequencies and a comparison with the traditional composites was carried out. In the second part, a finite element modelling of the damping of non-hybrid and hybrid composites was implemented by considering the classical laminate theory, taking into account the transverse shear effects. Different topics were studied such as the fibres orientation, the stacking sequence, the reinforcement architecture, the choice of the stacking sequence layers for the hybridisation. This analysis resulted in optimising both mechanical and damping performances of non-hybrid composites and hybrid flax-glass composites. In the last part of this work, the effect of water ageing on the dynamical and mechanical properties of non-hybrid and hybrid glass-flax composites was studied. To this end, these composites were subjected to free vibrations at different ageing durations in order to identify the effect of water ageing on their mechanical and damping properties and their evolution with ageing time. Finally, a cycle of ageing until saturation was reached followed by a drying operation, which was carried out to analyse the reversibility of their properties.

Le but de ce travail de recherche est d'étudier le comportement thermomécanique des matériaux constituant un réservoir de stockage d'hydrogène de type IV : un composite, assurant la tenue, est bobiné autour du liner polyuréthane qui assure l'étanchéité du réservoir et l'isolation thermique ; aux extrémités, des embases en acier inoxydable sont utilisées pour permettre le raccord du réservoir. Dans ce type de réservoir, lors du remplissage, il y a une augmentation significative de la température de l'hydrogène, entraînant un échauffement progressif de la structure et la présence de gradients de température. Le but de cette étude est principalement de caractériser le comportement d'une telle structure sous chargement thermomécanique complexe. Dans un premier temps, des essais de caractérisation mécanique et thermique ont été réalisés sur toute la plage de température d'utilisation du réservoir afin d'obtenir les données nécessaires à la réalisation d'un modèle numérique thermomécanique. Ensuite , une loi de comportement du composite pouvant être facilement transférable à une structure complexe telle que le réservoir et prenant en compte la non-linéarité, l'endommagement matriciel, la perte de rigidité progressive en cisaillement, ainsi que la thermo-dépendance des paramètres matériaux, est développée. Puis, des essais sur des éprouvettes technologiques représentatives d'un réservoir ont permis de mieux comprendre les mécanismes pouvant apparaître dans le réservoir et de valider le modèle développé. Enfin, une étude numérique d'un réservoir et de l'influence couplée de la température et de l'endommagement matriciel sur le comportement de cette structure a été réalisée.

Thèse doctorat : Conception en Bâtiment et Techniques Urbaines : Villeurbanne, INSA : 1997. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 182-193.

Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille) : 3326. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 139-146.