Ce travail concerne le développement d’une approche multiéchelle du comportement mécanique adaptée aux matériaux composites à renfort tissé. Le modèle DMD (Discrete Micro Damage) proposé repose sur une description de l’architecture du renfort tissé et de l’arrangement des constituants, de leurs propriétés et de leurs modes d’endommagement. Les variables internes du modèle décrivent directement l’état de fissuration du matériau et les décohésions associées. L’endommagement est introduit sous forme discrète dans des cellules élémentaires représentatives du matériau. Les effets de l’endommagement sont ensuite calculés grâce à des essais numériques d’homogénéisation. Des outils de changement d’échelle spécifiques nécessaires au calcul numérique ont été développés afin de prendre en compte les particularités des composites tissés. Le modèle DMD est identifié et validé pour un matériau composite tissé multicouche à matrice céramique. Enfin, le modèle est implanté dans le code de calcul ZéBuLoN et appliqué à trois cas-tests de calcul de structure. / This work proposes a multiscale model of the mechanical behavior of woven composite materials. The DMD model (Discrete Micro Damage) is based on a physical description of the geometry of the reinforcement, the properties of the constituents and their damage mechanisms. The internal state variables of the DMD model are defined as crack densities and debounding lengths, to measure directly the extent of the microstructural damage. A finite number of discrete damage states is introduced into representative periodic cells and the effective properties are computed using a numerical homogenization scheme. Specialized multiscale numerical tools have been developed in order to take into account the specificities of the woven composite materials. The DMD model has been identified and validated for a ceramic-matrix woven composite. Finally, it has been implemented into a general finite-element code and applied to several structural tests.

Les matériaux composites à renforts tissés 3D connaissent une utilisation grandissante dans de nombreux domaines de par entre autres leurs excellentes propriétés mécaniques. Cependant, le manque de compréhension de leur comportement est un facteur limitant. Ces limites sont liées à la complexité des phénomènes intervenant à différentes échelles qui jouent un rôle essentiel sur la prédiction de la réponse du matériau. Pour comprendre et résoudre ce problème, ce travail a pour objectifs d’étudier les matériaux composites 3D à l’aide de simulations numériques et d’observations expérimentales réalisées aux échelles micro, méso et macro. L’étude expérimentale a été réalisée afin d’obtenir : les propriétés macroscopiques du matériau et les paramètres nécessaires à la reconstruction géométrique. Ces caractéristiques ont été évaluées à l’aide de diverses techniques : microscopies optique et électronique et tomographie par rayons X sur des éprouvettes avant et après essais mécaniques afin de détecter les éventuels endommagements. Ces observations ont permis de définir les stratégies numériques à mettre en place aux différentes échelles. Ainsi, à l’échelle microscopique, un algorithme de dynamique moléculaire a été développé et testé sur des volumes représentatifs élémentaires et sur des sections de fils. Les résultats obtenus montrent une grande capacité à générer la variabilité microstructurale. A l’échelle mésoscopique, une stratégie de reconstruction à partir d’images tomographiques a permis de prendre en compte l’architecture réelle du composite 3D. Cette technique de modélisation a montré son grand intérêt dans la prédiction de la réponse non linéaire du matériau. / 3D textile reinforced composites have gained extensive application in many industrial domains by taking their excellent mechanical properties and neat-shape manufacturing. However, lack of understanding in material behaviour might be limiting factors at the design stage. One of these limits is the complexity of the multi-scale phenomena which play a critical role in predicting the material response. In order to tackle this problem, the systematic and detailed investigations are required at different material scales. Therefore, this work addresses to study 3D composites alternating and combining numerical simulations and experimental observations at different material scales. Experiments were carried out to provide twofold parameters: material properties and required geometrical reconstruction parameters. X-ray tomography was employed to inspect the intact samples. Electronic and optical microscopy techniques have been used in order to investigate in details the yarn cross-sections at initial states and eventual damages mechanisms accumulated during mechanical tests. All those observations allowed choosing numerical strategies at different material scales. Thus, at the micro-scale, the modified molecular dynamics algorithm has been developed and tested on RVE and irregular cross-section yarns. The results show great capacity and originality in the generation of the microstructural variability. Consequently, at the meso-scale, the reconstruction strategy was chosen which allowed representing real mesostructure of the composites. This modelling technique has great importance in the prediction of the material response, especially at the non-linear stage.

Ces travaux de thèse portent sur un composite à matrice polyamide 6,6 (PA66) renforcé d’un tissu de fibres de verre (Sergé 2/2). Dans le but d’une intégration dans des pièces automobiles, on s’intéresse au comportement de ce matériau sous sollicitation cyclique. L’objectif est de mettre au point un critère de fatigue permettant de prédire la durée de vie du composite étudié. Le PA66 étant sensible à l’humidité, il est nécessaire de prendre en compte ce paramètre dans notre étude. Pour cela, le matériau est conditionné selon trois états : un état sec (RH0), un état ambiant (RH50) et un état saturé en eau(RH100). Trois séquences d’empilement sont également considérées afin de tenir compte de l’orientation des fibres dans le matériau : [(0/903], [(90/0)3] et [(±45)3]. Dans un premier temps, l’influence du conditionnement sur les propriétés microstructurales et mécaniques en traction monotone est étudiée.Le rôle plastifiant de l’eau sur le PA66 a été mis en évidence. L’instrumentation des essais de traction monotone avec un système d’émission acoustique associée à l’observation post-mortem par MEB des éprouvettes permet de proposer un scénario d’endommagement en traction quasi-statique pour chaque configuration étudiée. Dans un deuxième temps, une campagne d’essais en fatigue traction-traction est menée sur les neuf configurations de l’étude. Ces essais ont permis la mise en place et l’évaluation de deux critères de fatigue phénoménologiques : les diagrammes de durées de vie constantes et le critère de fatigue à deux paramètres basé sur les courbes S-N. Ce dernier a été enrichi afin de pouvoir prédire la durée de vie du matériau pour différents conditionnements. De manière générale, le modèle montre une bonne capacité à prédire la durée de vie du matériau pour des conditions d’essais variées. Afin de cerner la capacité du modèle à être utilisé en bureau d’études, celui-ci a été appliqué dans le cas d’essais de fatigue menés sur une mini-structure sollicitée en flexion 3 points. / This study is focused on a woven glass-fibre-reinforced composite (2/2 twill) with a polyamide 6,6 matrix. From the perspective of its future integration in automotive parts, the fatigue behavior of this material is investigated. The aim is to develop a fatigue model able to predict the fatigue life of the composite studied. The PA66 behaviour is highly influenced by the moisture content, thus, it is necessary to take this parameter into account. Hence, three conditionings are studied: RH0, RH50 andRH100 which correspond respectively to the dry-as-moulded, the ambient and the water-saturated state.Three different stacking sequences are used in order to study the influence of fibre orientation: [(0/90)3],[(90/0)3] and [(±45)3]. First, the influence of moisture on microstructural and mechanical properties formonotonic tensile tests is studied. The plasticizing effect of water on PA66 has been highlighted. A damage scenario has been determined for every configuration studied by using acoustic emission technique during monotonic tensile tests and post-mortem SEM observations. Then, tension-tension fatigue tests are performed for all sample configurations. The results have been used to set up two phenomenological fatigue life models: the constant life diagrams and the two-parameter model based onS-N curves. The latter has been enhanced by including the relative humidity in order to be able to predict the fatigue life of the material for any conditioning. In general, this model estimates quite well the fatigue life of the material for different testing conditions. Finally, the two-parameter model has been used for fatigue life prediction of both open-hole samples and a mini-structure in order to evaluate its capability to be used in an industrial context.

Ce travail concerne l’étude et la modélisation du phénomène de multifissuration transversedes fils dans les CMC tissés. Sa connaissance est fondamentale pour déterminer soneffet sur les champs de contraintes, la progression des endommagements et la durée de viedu matériau.À partir d’observations sur des coupes de CMC, des matériaux virtuels sont développéset des essais virtuels réalisés. Différentes séquences de fissuration transverse sont simuléessur diverses microstructures de CMC. Ces simulations se substituent à des observations expérimentalesimpossibles à réaliser.Un modèle statistique de multifissuration est développé sur la base du principe dumaillon faible appliqué à une distribution ponctuelle de Poisson. Les singularités micostructurellessont représentées par des défauts dans un milieu homogène équivalent (MHE).Les modifications des fonctions de distribution au cours de la multifissuration sont modélisées.Le modèle statistique permet de réaliser un changement d’échelle à la suite duquel lamultifissuration transverse est simulée dans le MHE avec une réduction des temps de calculde l’ordre de 90%. / This work deals with the study and modeling of multiple crakcing of tows in wovenCMCs. Its understanding is fundamental to determine the effect on stress fields, the evolutionof damage and the lifetime of material.From observations on real CMC pieces, virtual materials are developed and multiplecracking virtual testing is achieved. Different scenarii are simulated on various CMC microstructures.These simulations are a substitute for impossible experimental observations.A statistical model for multiple cracking based on the weakest link principle applied to adistribution of Poisson is developed. Micostructural singularities are represented by defectsin a homogeneous medium equivalent (EHM). Modifications of distribution functions duringthe multicracking are modeled.The statistical model realizes a scale changing : transverse multicracking is simulated inthe EHM with a reduction of almost 90% for computational time.

La prochaine génération de moteur d'avion civil, LEAP, développé par Snecma (groupe Safran) et General Electric, intègrera de nombreuses innovations matériaux qui contribueront à la réduction de la consommation de carburant, d'émission de polluants et du bruit. Parmi ces innovations, l'utilisation d'aubes de turbine en CMC (Composites à Matrice Céramique) permettra une réduction significative de la masse du moteur. Les travaux présentés concernent à la fois la caractérisation du comportement mécanique de composites tissés 3D-SiC/Si-B-C et le développement d'une approche multi-échelle du comportement élastique adaptée aux structures CMC complexes. Un premier modèle à l'échelle du fil a été développé en prenant en compte la variabilité du matériau (porosité, architecture, usinage, etc...). Le modèle HPZ (Homogénéisation Par Zone) reposant sur la discrétisation du domaine d'homogénéisation permet de faire le lien entre l'échelle mésoscopique et l'échelle de la structure. / Due to their high thermo-mechanical properties and low densities, ceramic matrix composites (CMC) are candidate materials for hot parts in gas-turbine engines. Various applications have been identified for several types of CMC including C/SiC (nozzles), SiC/SiC (compressor blade) and all oxide composites (combustors). This work presented relates to both the characterization of the mechanical behaviour of woven composites 3D-SiC/Si-BC and the development of a multi-scale elastic behaviour suitable for complex CMC structures approach. A first model at the mesoscale has been developed taking into account the variability of the material (porosity, architecture, manufacturing, etc ...). The HPZ model ("Homogenisation par Zone" in French) based on the discretization of the homogenization field allows to link the mesoscopic scale and the scale of the structure.

Ce travail concerne le développement d'une approche multiéchelle du comportement mécanique adaptée aux matériaux composites à renfort tissé. Le modèle DMD (Discrete Micro Damage) proposé repose sur une description de l'architecture du renfort tissé et de l'arrangement des constituants, de leurs propriétés et de leurs modes d'endommagement. Les variables internes du modèle décrivent directement l'état de fissuration du matériau et les décohésions associées. L'endommagement est introduit sous forme discrète dans des cellules élémentaires représentatives du matériau. Les effets de l'endommagement sont ensuite calculés grâce à des essais numériques d'homogénéisation. Des outils de changement d'échelle spécifiques nécessaires au calcul numérique ont été développés afin de prendre en compte les particularités des composites tissés. Le modèle DMD est identifié et validé pour un matériau composite tissé multicouche à matrice céramique. Enfin, le modèle est implanté dans le code de calcul ZéBuLoN et appliqué à trois cas-tests de calcul de structure.

Ce travail de thèse est consacré au développement d'outils de conception utilisables par des bureaux d'études. Si on note une progression des matériaux composites dans différents domaines, cette progression reste limitée dans certains secteurs ou les charges reprises par les structures, la sécurité qui leurs sont attachées nécessitent une conception rigoureuse. Tout changement de matériaux a besoin d'être argumenté. Par ailleurs si on augmente les marges de sécurité, l'intérêt des composites s'annule rapidement pour des raisons de coûts attachées à ces matériaux. Eviter ces écueils impliquent une conception basée sur une bonne connaissance des composites pressentis, à la fois dans les domaines linéaires et non linéaires. Cela signifie bien comprendre les mécanismes de dégradation et évaluer la tolérance associée aux différents dommages. C'est dans ce contexte et en partenariat avec la société ALSTOM, que nous avons étudié des composites tissés en carbone époxy pour réaliser certaines pièces de bogie. L'objectif de ce travail était de caractériser le comportement des matériaux, de répertorier leurs dégradations sous chargements quasi-statiques et cycliques puis de proposer des modèles de comportement prenant en compte l'influence des dégradations. Ces modèles implémentés dans un code de calcul par éléments finis doivent permettre de calculer des pièces à gradients de contraintes élevés. Un autre objectif était d'étudier le rôle joué par l'épaisseur des stratifications dans un contexte de pièces épaisses. La raison en est que les matériaux composites n'étant plus confinés à des parties dites secondaires ne reprenant que peu d'efforts, mais à des structures ou sous-structures primaires largement sollicitées, l'épaisseur des stratifications s'en trouve augmentée. Si on peut toujours parler de résistance exceptionnelle à la fatigue des composites, de rapport élevé entre la limite d'endurance et la résistance à la traction, il reste néanmoins à s'assurer que l'augmentation des épaisseurs ne vient pas contrarier ces affirmations. Les structures stratifiées développent en effet avec l'épaisseur des contraintes inter-laminaires dont la principale conséquence est d'engendrer des décollements entre les plis appelés délaminages, très préjudiciables pour la tenue mécanique de ces structures.

De par leur bonne tenue à l'impact, les matériaux composites tissés sont de bons candidats pour la conception de pièces aéronautiques. Toutefois, le manque de confiance dans les modèles se traduit par de lourdes campagnes expérimentales. L'augmentation de la part de simulation numérique et donc la réduction des coûts de certification passent par le développement d'outils permettant de dimensionner au plus juste les structures composites tissées à matrice organique (CMO) ou céramique (CMC). C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Les formulations proposées par l'Onera afin de décrire l'effet de l'endommagement matriciel ont été adaptées et étendues pour prendre en compte les spécificités des matériaux de notre étude, en particulier la viscosité pour les CMO. Des essais sur pièces génériques ont été simulés et confrontés à l'expérience dans le but d'évaluer la pertinence des modèles développés. Ces comparaisons en partie validantes ont mis en évidence les limites des modèles dans le cadre de l'analyse de la tenue d'une structure présentant un gradient de contrainte. Afin d'améliorer les prévisions des simulations, les effets de la rupture progressive ont été pris en compte dans les formulations. Pour s'affranchir de la localisation numérique de l'endommagement, une approche originale de régularisation couplant modélisation non locale de l'endommagement et taux d'endommagement limité a été développée. Les confrontations essai/calcul ont mis en évidence l'apport d'une modélisation plus fine des mécanismes d'endommagement et de rupture sur l'étude de la tenue de la structure. Compte tenu des nombreuses sources d'incertitudes, quelle confiance accorder à la simulation ? Pour répondre à cette question, l'effet des incertitudes sur des quantités d'intérêts (contrainte à rupture) a été évalué. Par ailleurs, une analyse de sensibilité (décomposition de variance) a été entreprise pour l'étude de faisabilité d'une démarche de capitalisation. Dans l'optique d'une démarche d'analyse de la tolérance aux défauts, l'efficacité de notre approche à traiter diverses singularités (taille, forme) est démontrée. Enfin, les limites de la modélisation macroscopique sont discutées.

Pour optimiser les structures des aéronefs, il est maintenant nécessaire de concevoir le matériau au " juste-besoin ", de façon à diminuer le ratio masse/performances. Par une bonne gestion du procédé de fabrication et un choix judicieux des matériaux constitutifs, les composites à renfort tissé et à matrice organique ont ce potentiel. Mais pour l'exploiter pleinement, de nouvelles approches adaptées à ce type de matériau doivent être développées. Pour cela, une chaîne de calcul multimodèle est proposée, permettant de prévoir les propriétés mécaniques élastiques saines ou endommagées du matériau à partir de ses paramètres de conception. Cette chaîne est établie à l'échelle mésoscopique, pour pouvoir prendre en compte la géométrie du renfort. Une procédure spéciale de création de maillages de cellules mésoscopiques de composites tissés a été développée, de façon à faire le lien entre la déformée du renfort après mise en forme, obtenue par simulation EF, et les autres modèles de la chaîne (injection de résine, cuisson du composite, comportement mécanique). Le bon fonctionnement de l'approche est montré par l'étude de deux cas-tests, un renfort de quatre plis de taffetas et un renfort de quatre plis de satin de 5, chacun compactés à différents niveaux et selon plusieurs configurations d'imbrication de plis. Enfin, pour anticiper la validation de la chaîne de modélisation, une étude expérimentale comparative entre plusieurs composites tissés compactés à différentes épaisseurs a été menée. Ce travail se place dans le cadre de la construction future d'une chaîne multiéchelle plus globale qui, parcourue dans le sens inverse, permettra de concevoir le matériau sur-mesure en fonction des performances structurales locales désirées.

Pour optimiser les structures des aéronefs, il est maintenant nécessaire de concevoir le matériau au « juste-besoin », de façon à diminuer le ratio masse/performances. Par une bonne gestion du procédé de fabrication et un choix judicieux des matériaux constitutifs, les composites à renfort tissé et à matrice organique ont ce potentiel. Mais pour l’exploiter pleinement, de nouvelles approches adaptées à ce type de matériau doivent être développées. Pour cela, une chaîne de calcul multimodèle est proposée, permettant de prévoir les propriétés mécaniques élastiques saines ou endommagées du matériau à partir de ses paramètres de conception. Cette chaîne est établie à l’échelle mésoscopique, pour pouvoir prendre en compte la géométrie du renfort. Une procédure spéciale de création de maillages de cellules mésoscopiques de composites tissés a été développée, de façon à faire le lien entre la déformée du renfort après mise en forme, obtenue par simulation EF, et les autres modèles de la chaîne (injection de résine, cuisson du composite, comportement mécanique). Le bon fonctionnement de l’approche est montré par l’étude de deux cas-tests, un renfort de quatre plis de taffetas et un renfort de quatre plis de satin de 5, chacun compactés à différents niveaux et selon plusieurs configurations d’imbrication de plis. Enfin, pour anticiper la validation de la chaîne de modélisation, une étude expérimentale comparative entre plusieurs composites tissés compactés à différentes épaisseurs a été menée. Ce travail se place dans le cadre de la construction future d’une chaîne multiéchelle plus globale qui, parcourue dans le sens inverse, permettra de concevoir le matériau sur-mesure en fonction des performances structurales locales désirées. / In order to optimize aeronautic structures, the manufacturing process must be tailored to the structural needs, with the aim of reducing the density/performance ratio. Polymer composites with woven reinforcements offer a large flexibility due to a vast choice of constituent materials and manufacturing process parameters. However, to entirely exploit their potential, new design methods specifically adapted to this type of material have to be developed. For this purpose, a modeling chain is proposed, which is able to predict the elastic properties of the intact or damaged material, by incorporating the manufacturing process parameters. The chain is built at the mesoscopic scale, to take into account the reinforcement geometry. A special procedure to generate finite element (FE) meshes of mesoscopic representative unit cells of woven composites has been developed, which links the deformation of the reinforcement, obtained from FE calculations, to the other models of the chain (resin injection, curing, and mechanical behavior). Two materials are studied to show the potential of the modeling chain: A four ply lay-up of a plain weave and of a satin weave fabric are considered, each of them having several compaction ratios and different nesting between the plies. With the aim of a validation of the modeling chain, multi-instrumented experimental tests have been carried out on several multi-layer plain weave composites with different thicknesses. In future applications, the proposed strategy will be placed in a toolbox able to design optimum woven composite structures based on local performance requirements.