Les composites 3D renforcés de tissus interlocks d'angle couche-à-couche sont recherchés pour leurs bonnes résistances au délaminage et aux impacts. Cependant, la détermination précise du comportement mécanique de tels composites est complexe à cause de leur architecture numérique. L'objectif de ce travail est de déterminer les modules élastiques d'une plaque équivalente, en traction et en flexion, par une méthode d'homogénéisation asymptotique appliquée à une cellule unité périodique. Un programme spécifique est développé, permettant la modélisation géométrique et l'analyse mécanique de manière systématique et efficace. Cet outil permet de considérer l'influence du procédé de fabrication sur les paramètres géométriques et matériaux : l'architecture réelle après infusion et l'endommagement des fils durant le tissage. Les propriétés élastiques équivalentes sont validées par des simulations de plaques hétérogènes 3D et par comparaison expérimentale. L'interface fil/matrice est aussi analysée pour l'initiation d'endommagement dans le composite, introduit dans l'outil numérique par des surfaces cohésives, afin de compléter la modélisation du comportement mécanique. / 3D composites reinforced with layer-to-layer angle-interlock fabrics are attractive due to their superior properties in delamination and impact damage resistance. Nevertheless, the accurate prediction of the mechanical behavior of such composites is challenging due to the complex architecture. The purpose of this work is to assess the equivalent membrane and bending elastic moduli of the shell-type structure by a numerical asymptotic homogenization procedure on a periodic unit cell. A specific program is developed, allowing for parameterized geometrical modeling and mechanical analysis in a systematic and efficient way. This numerical tool enables to consider the influence of the manufacturing process on the geometric and material parameters: the real composite architecture after infusion and the yarn damage during weaving. The effective elastic properties are finally validated using numerical computations on 3D heterogeneous plates and by comparison with experimental tests. The yarn/matrix interface is also analyzed in terms of damage initiation into the composite, represented by cohesive surfaces in the numerical tool, in order to complete the understanding of its mechanical behavior.

Ce travail de thèse porte sur l’étude, le développement et l’analyse du couplage hydro-mécanique mis en jeu pendant le procédé d’infusion de résine (LRI) pour la fabrication de matériaux composites. Un modèle mathématique de ce procédé basé sur une caractérisation expérimentale réduite des propriétés mécaniques et d’écoulement des renforts fibreux est présenté. Le modèle considère un problème à frontière libre en couplant la loi de Darcy avec l’équation de conservation de la masse. Des solutions analytiques de l’évolution de la position du front d’écoulement, des profils de pression de fluide et d’épaisseur sont obtenues pour des écoulements unidirectionnels. Une solution pour des écoulements bi-directionnels est également obtenue en combinant des méthodes éléments finis et levelset. Les solutions uni- et bi-directionnelles ont été validées expérimentalement, un accord raisonnable est obtenu. Les fonctions qui relient l’écoulement, au travers des paramètres de position du front et de la perméabilité, et la déformabilité transverse du renfort fibreux ont été obtenues. Ainsi, la conservation de la masse combinée aux conditions aux limites permet d’obtenir une solution simple de l’évolution du front d’écoulement et des profils de pression et d’épaisseur d’une pièce composite infusée. / This thesis describes the study, analysis and development of a methodology to tackle hydro-mechanical coupling involved during Liquid Resin Infusion process. During the researches the new mathematical model of the LRI process for composites manufacturing using a reduced experimental characterization of mechanical and flow properties of fabric was presented. The mathematical modeling has been considering the moving-boundary problem, coupling Darcy's law with the continuity equation. An analytical solution of flow front progression, pressure distribution and thickness evolution has been achieved in 1D. A 2D flow was achieved using combination of finite element and level-set methods for numerical modeling. Proposed analytical and numerical models have been validated against experimental data, reasonable agreements have been achieved. The relationships which links fluid flow (permeability and flow extent) and induced thickness variations have been derived. Consequently, mass conservation together with additional boundary condition gives simple and effective way to find a pressure profile within a part being infused.

La fabrication des pièces composites structurales aéronautiques nécessite l'utilisation de renforts complexes et notamment des renforts tridimensionnels. Le procédé d'infusion permettrait la fabrication de ces pièces tout en maîtrisant leur qualité et les coûts. L'objectif de la thèse est de développer un modèle, à différentes échelles, de l'écoulement de résine à travers le réseau fibreux du renfort et de proposer une simulation numérique plus fine du procédé d'infusion. L'influence des structures de renfort 2D et 3D, sera ainsi étudié aux différentes échelles : micro (intra-mèches), méso (inter-mèches)et macro(renfort, pièce). / The manufacture of composite aeronautical structural parts requires the use of more complex reinforcements, especially the 3D reinforcements. Resin infusion is the key process of Liquid Composites Molding (LCM) which will determine the quality and cost of the parts. The target of this thesis is to develop models at different scales of fibrous network of the reinforcement and to propose a finer numerical simulation of the infusion process. The influence of the 2D and 3D reinforcement structures on the infusion process will be studied at the different scales: micro (intra-tow), meso (inter-tows) and macro (reinforcement, part).

L’objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation du couplage hydromécanique, existant entre la déformation de la préforme fibreuse et l’écoulement de la résine, et par la suite à la simulation des procédés d’infusion. La méthode de résolution numérique déployée dans ce cadre est de type éléments finis avec volumes de contrôles (CVFEM) formulée en 2D½. Une nouvelle approche de modélisation de procédé d’infusion est proposée. Dans cette méthode, nous avons introduit des éléments 1D qui traduisent l’écoulement transverse. Cette approche permet de surmonter la difficulté numérique relative à l’usage des éléments finis volumiques pour un calcul 3D, notamment pour simuler la mise en œuvre des pièces industrielles de grandes dimensions. Le modèle fait appel à des lois de comportements caractérisées expérimentalement et qui permettent de tenir compte de l’évolution de la perméabilité et la compressibilité du milieu fibreux au cours de l’infusion. Diverses confrontations entre le modèle numérique proposé, des méthodes analytiques et expérimentales ont été menées. Une application du modèle dans la simulation de l’infusion d’un démonstrateur industriel de géométrie complexe est également réalisée. Les résultats obtenus sont très encourageants et révèlent l’efficacité de l’outil développé dans la simulation du procédé d’infusion / The aim of this work is to model the hydromechanical coupling that exists between the preform compressibility and the resin flow in order to simulate the infusion processes. The numerical method used in this study is based on the Control Volume Finite Elements Method (CVFEM) in 2D½. A new modelling approach of the infusion process is proposed. In this method, we introduced 1D elements to include through-the-thickness flow. This approach allows to reduce the computational time in comparison with full 3D modelling, especially in the simulation of industrial part infusion with large dimensions. The developed model is alimented by behavior laws that we characterized experimentally. These laws allow to take into account the evolution of the permeability and the compressibility of the fibrous medium during the infusion. We validated our model by comparing its results with analytical and experimental data. Additionally, an application of this simulation approach has been carried out to simulate the infusion of an industrial demonstrator with complex geometry. These comparisons show a good agreement between numerical and experimental results and reveal the efficiency of the developed tool in the infusion process simulation.