Les matériaux composites à renfort carbone dans une matrice époxy présentent des propriétés remarquables au regard de leur poids. Cependant, ces matériaux peuvent présenter des défauts qui peuvent significativement altérer leurs propriétés. Il est donc nécessaire de disposer d'un moyen de contrôle non destructif performant, afin de vérifier la structure interne de ces matériaux. Dans ce document, la tomographie X est utilisée. La distinction des défauts dans ces matériaux est cependant compliquée à cause de la proximité chimique entre le carbone et la résine. Dans le but d'améliorer la détection de ces défauts, ce document propose l'étude des différents phénomènes physiques entrant en jeu lors du procédé de tomographie X dont l'étude des paramètres d'acquisition et les phénomènes physiques dégradant la qualité de l'image. Afin d'aider à la compréhension des différents phénomènes physiques, l'outil de la simulation est utilisé, celle-ci permettant d'étudier de manière indépendante tous ces phénomènes. Après avoir présenté dans la première section les matériaux composites et la tomographie X, la deuxième section décrit les caractéristiques du système d'acquisition tomographique utilisé. Ensuite, les caractéristiques de la simulation du système d'acquisition sont également présentées. La troisième section propose une étude des différents phénomènes physiques contribuant à l'image. En effet, la comparaison des résultats entre la simulation et l'expérimental a permis de mettre en évidence qu'un phénomène de rétrodiffusion se produit à l'intérieur du détecteur. Un protocole est présenté afin de le déterminer expérimentalement et de l'ajouter aux projections simulées. De plus, la simulation ne prenant pas en compte le bruit sur les projections, un protocole est présenté afin de le déterminer expérimentalement. La quatrième section présente l'étude de l'optimisation de la qualité de l'image par simulation. Le choix de la tension accélératrice est étudié, ainsi que l'influence du rayonnement diffusé objet. La cinquième section propose une validation expérimentale des résultats, notamment en appliquant la correction du rayonnement rétrodiffusé aux pièces composites d'intérêt. / The carbon-fiber-reinforced-polymer (CFRP) materials display excellent properties considering their weight. However, they also can display defects that can significantly decrease their properties. In order to verify the internal structure of the composite materials, non destructive control is required. In this document, the X-ray computed tomography is used. Nevertheless, the distinction of the defects is difficult because of the chemical proximity between the carbon and the resin. In order to improve the detection of the defects, this document proposes to study the different physical phenomena happening during the tomography process such as the study of the acquisition parameters and the phenomena that decrease the image quality. In order to help to understand the different phenomena, the simulation tool is used. It allows to study the different phenomena independently to the others. After the presentation of the composite materials and the x-ray computed tomography in the first part, the features of the used acquisition system are presented in the second part. The features of the simulation of the acquisition system are also presented. The third part propose a study of the different phenomena contributing to the image. The comparison of the results between the simulation and the experimental allows to highlight a backscattering phenomenon happening inside the detector. A protocol allowing to determine these phenomena experimentally and to add it on the computed projections is presented. Furthermore, the simulation does not take the noise on the projection into account. Another protocol is presented, allowing to determine it experimentally. The fourth part displays the study of the optimization of the image quality using the simulation. The choice of the accelerating voltage is studied as well as the influence of the object scatter radiation. The fifth part proposes an experimental validation of the results. Especially, a correction of the backscattering is presented and applied to the composites objects.

Le moulage RTM à haute cadence est un procédé de fabrication composite prometteur qui satisfait les exigences de l’industrie automobile pour produire des pièces structurelles complexes avec un temps de cycle court. Cependant, les réductions de temps de cycle sont un véritable défi. Dans ce procédé, une résine est injectée avec mélange en dans la cavité d’un moule contenant un renfort fibreux. Ce flux de résine réactive génère des schémas d’écoulement complexes et des couplages thermo-chimio-rhéologiques forts. En raison de la grande sensibilité de la résine et des temps de cycle serrés, la prédiction de la stratégie d’injection optimale est très difficile et très coûteuse à mener expérimentalement. Le travail réalisé a donc poursuivi deux objectifs: 1. Identifier et quantifier expérimentalement les mécanismes influençant le procédé RTM réactif avec mélange en tête et 2. Développer une méthode de simulation numérique en vue d’introduire les mécanismes identifiés dans le logiciel industriel PAM COMPOSITE développé par ESI Group. L’identification et la quantification des mécanismes ont été réalisées grâce à des investigations expérimentales et numériques. Un nouveau montage expérimental a été développé pour l’étude du mécanisme de stockage de résines intra-mèche grâce à des observations aux échelles macro- et microscopiques. De plus, une méthode numérique a été développée pour simuler l’écoulement réactif de la résine dans des matériaux à simple et à double échelle de porosité. Cette méthode a permis d’étudier les mécanismes locaux difficiles à mesurer expérimentalement et de préparer le transfert vers le logiciel industriel d’ESI. / High Speed Resin Transfer Molding (RTM) is a promising composite manufacturing process fitting automotive industry requirements to produce complex structural parts with a perspective of short cycle times. However, cycle time reductions are a real challenge. In this process, a resin mixed on-line with curing agents is injected in the cavity of a mold containing a fibrous reinforcement. This flow of reactive resin generates acomplex flow pattern and strong thermo-chemo rheological couplings. Due to the high sensitivity of the resin cure, and the tight cycle times, prediction of the optimal injection strategy is very difficult and very expensive to conduct experimentally. In this context, two goals where followed in this work: 1. Identify and quantify experimentally the mechanisms, related to the process or to the reinforcement, influencing the reactive RTMprocess with on-line mixing and 2. Develop a numerical simulation method in a view of introducing the identified mechanisms in the industrial software PAMCOMPOSITE developed by ESI Group. Identification and quantification of the mechanisms were realized thanks to experimental investigations and numerical simulations. A new experimental setup has been developed for the investigation of the mechanism of intra-tow resin storage through macro-scale and micro-scale observations. Additionally, a numerical method has been developed to simulate the reactive flow of a resin in single and dual scale porous materials. This method allowed both to investigate local mechanisms difficult to study experimentally and prepare the transfer to the industrial software of ESI.

L’utilisation systématique d’une théorie dite de Cauchy conduit souvent à des simplifications trop fortes de la réalité. En effet, certaines caractéristiques de la microstructure sont implicitement négligées dans ces approches. Des matériaux possèdent des microstructures à une échelle assez grande (micron, millimètre, centimètre), dont l’effet se répercute sur le comportement macroscopique. Le modèle de Cauchy est insuffisant pour décrire leur comportement global spécifique, lié par exemple à la concentration d’efforts ou de déformations, ou à des modes de déformations caractérisés par de forts gradients locaux induisant des comportements liés à ce qui se passe à des échelles plus petites. Un des domaines d’application les plus prometteurs des théories de milieux continus enrichis concerne les renforts tissés de composites. Cette classe de matériaux est constituée par le tissage de mèche, dont les rigidités sont très différentes en traction et en cisaillement : les mèches sont très raides en traction mais l’angle entre deux mèches peut varier très facilement. Ce contraste très marqué des propriétés mécaniques de la mesostructure du matériau permet de décrire ses propriétés homogénéisées dans le cadre d’une théorie de deuxième gradient. La manifestation macroscopique de la mesostructure peut en effet jouer un rôle majeur lors de la mise en forme des renforts de composites. Les modèles de Cauchy ne sont pas adaptés à la description de la réponse dynamique de certains matériaux microstructurés montrant des comportements dispersifs ou des band-gaps. Les théories de milieux continus enrichis sont de bonnes candidates pour modéliser les effets de la présence d’une microstructure. Elles peuvent également posséder des propriétés très particulières vis à vis de la propagation d’ondes, ce qui confère aux structures résultantes des solutions de choix comme écran ou absorbeur d’ondes qui peuvent innovantes dans le domaine du contrôle des vibrations ou dans le domaine de la furtivité. / The systematic use of a so-called Cauchy theory sometimes leads to an oversimplification of reality. Indeed, certain characteristics of the microstructure are implicitly neglected in these approaches. However, even if all the materials are heterogeneous on a sufficiently small scale and therefore possess a microstructure, this does not necessarily induce a specific behavior on a macroscopic scale. In this case, the Cauchy theory would be perfectly adapted to their description. On the other hand, other materials possess microstructures on a large-enough scale (micron, millimeter, centimeter), whose effects have repercussions on macroscopic behavior. The Cauchy model is then insufficient to describe their specific global behavior related to what occurs at smaller scales, e.g. concentration of forces or deformations, or strong local gradients. One of the most promising fields of application of enriched continuous theories concerns the study of the mechanical behavior of woven composite reinforcements. This class of materials, made up by weaving yarns (made up themselves of many thinner fibers), possess very different rigidities in tension and in shear: the yarns are very stiff in tension but the angle between two yarns can vary very easily. This very marked contrast of material mechanical properties makes it necessary to describe its homogenized properties within the framework of a second gradient theory (or a constrained micromorphic one). Cauchy models are also not well-suited for the description of the dynamic response of certain microstructured materials showing dispersive behaviors or band-gaps. Enriched continuous theories (and in particular the relaxed micromorphic model) can be good candidates for modeling these materials in a more precise and realistic way, since they can include the macroscopic manifestation of their microstructure. These microstructured materials may have original properties, to improve and optimize the responses of the structures that use them. Indeed, these structures are designed using such microstructured materials - also known as metamaterials - to exhibit improved strengths, shaping facilities, minimized weights, and much more. They can also possess innovative properties in the field of vibration control or in the field of stealth technology.

L'un des avantages majeurs des stratifié composites à renforts de fibres longues est la capacité d'orienter les fibres de chaque pli afin d'optimiser ses propriétés mécaniques telles que la résistance et la rigidité, par rapport aux chargements imposés. Malgré d'excellentes propriétés dans le plan, les stratifiés présentent un problème propre aux matériaux réalisés par stratification: la rupture inter-laminaire. Ce mécanisme de rupture se caractérise par un décollement ou une décohésion entre les plis du stratifié. Il est couramment appelé le "délaminage". De plus, peu d'information existe dans la littérature concernant le délaminage en mode II pur. Par ailleurs, cette dernière est encore moins prolifique en ce qui concerne les sollicitations rapides. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier ce mode de délaminage lorsque ce type de matériau composite est soumis à des sollicitations rapides. L'essai de délaminage en mode II CLS (Cracked-Lap-Shear) a été appliqué à deux types standards de matériaux composites unidirectionnels en utilisant un système de guidage assurant un mode II quasi-pur. Les campagnes d'essais ont été réalisées à l'aide d'une machine de traction à grande vitesse. Une caméra rapide de type Photron a été utilisée pour filmer la fissuration jusqu'à des vitesses de propagation de l'ordre de 1000m/s. L'application de la technique de mesure de champ par Corrélation d'images a permis de mesurer les champs de déplacement locaux au voisinage de la tête de la fissure. Deux méthodes différentes de mesure sont étudiées et appliquées aux essais pour suivre la propagation de la fissure: la méthode de contraste et une méthode combinant la mesure par Corrélation d'image et la méthode des Eléments finis. Par ailleurs, deux approches: la première dite " locale " et la seconde dite " globale " ont été appliquées pour déterminer l'évolution du taux de restitution d'énergie en fonction de la vitesse de propagation de la fissure. Grâce aux résultats obtenus par ces deux approches, nous avons montré que la loi théorique proposées par YANG est capable de bien représenter l'évolution du taux de restitution d'énergie en fonction de la vitesse de propagation de la fissure lors du délaminage en mode II. La loi d'évolution de Yang a donc été validée.

Le matériau composite à matrice de titane renforcée par des cristaux discontinus de monoborure de titane (TiB) constitue une classe nouvelle de matériaux destinés à des applications de haute technologie. Ces composites présentent des avantages car le procédé d'élaboration permet l'obtention de pièces de formes complexes à moindre coût par rapport aux composites à matrice titane renforcée par des filaments continus. Le procédé d'obtention de composites Ti/TiB nécessite deux étapes de fabrication: (1) au cours de la première étape un pré-composite de fraction volumique élevée en TiB est obtenu par un procédé d'autocombustion (SHS), (2) lors d'une seconde étape, ce composite est dilué dans l'alliage de titane liquide pour obtenir la fraction volumique désirée. Des composites de fraction volumique en TiB comprise entre 0 et 10% ont été élaborés puis caractérisés. La microstructure de la matrice est affinée et les performances mécaniques sont améliorées par la présence du TiB. Finalement, une étude technico-économique de ce procédé a été réalisée pour évaluer la viabilité industrielle du matériau et du procédé.

La simulation des procédés de mise en forme des composites à renforts tissés de type RTM est un enjeu majeur pour les industries de pointe mettant en œuvre ce type de matériaux. Au cours de ces procédés, la préforme tissée est souvent soumise à des déformations importantes. La connaissance et la simulation du comportement mécanique de la préforme à l'échelle macroscopique et à l'échelle mésoscopique s'avère souvent nécessaire pour optimiser la phase de conception de pièces composites formées par de tels procédés. Une analyse du comportement mésoscopique des préformes tissées de composites est d'abord proposée. Une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse est développée, permettant de décrire le comportement mécanique de chacun des modes de déformation de la mèche : élongation dans la direction des fibres, compaction et distorsion dans le plan d'isotropie de la mèche, cisaillement le long des fibres. Une méthodologie est proposée pour identifier les paramètres de cette loi de comportement à l'aide d'essais sur la mèche et sur le tissu, et une validation par comparaison avec des essais expérimentaux est présentée. Une analyse du comportement macroscopique des renforts interlocks est ensuite proposée : une loi de comportement hyperélastique orthotrope est développée et implémentée. Cette loi, extension de la loi de comportement pour la mèche, est également basée sur une description phénoménologique des modes de déformation de la préforme. Une méthode d'identification des paramètres de cette loi de comportement est mise en œuvre, utilisant des essais expérimentaux classiques dans le contexte des renforts tissés (tension uniaxiale, compression, bias extension test, flexion). Cette seconde loi de comportement est validée par comparaison avec des essais de flexion et d'emboutissage hémisphérique.

Dans cette étude, plusieurs voies ont été explorées dans l'objectif d'utiliser des polyesters aliphatiques issus de ressources oléagineuses comme additifs pour le renfort au choc du poly(L-lactide) (PLLA). Dans un premier temps, des poly(ester-amide)s (PEAs) ont été synthétisés à partir de dérivés de l'huile de ricin. La relation structure-propriétés des PEAs obtenus a été clairement établie. La dispersion des PEAs (à différents taux) par extrusion à l'état fondu dans une matrice de PLLA a ensuite été effectuée, démontrant un accroissement de la résilience de ces mélanges en comparaison au PLLA seul. Une étude systématique reliant la structure d'une large gamme de polyesters aux propriétés des mélanges polyesters/PLLA, a ensuite été réalisée. Une forte dépendance de la résilience des mélanges polyesters/PLLA avec la cristallinité de l'additif polyester a été observée et quantifiée.Une amélioration des propriétés mécaniques du PLLA a également été obtenue par polymérisation par ouverture de cycle du lactide amorcée par un poly(acide ricinoléique) di-hydroxy téléchélique. Les copolymères triblocs ainsi formés ont été caractérisés d'un point de vue morphologique et mécanique.Enfin, un travail exploratoire utilisant l'ADMET comme méthode de polymérisation a été conduit, permettant la synthèse de nouveaux polymères prometteurs pour le renfort au choc du PLLA. Notamment, la copolymérisation de α,ω-diènes bio-sourcés a permis de mimer le polyéthylène basse densité linéaire, couramment employé pour le renfort au choc du PLLA.

La modélisation numérique des structures composites à renfort fibreux de géométrie complexe constitue un axe de recherche majeur afin de prédire correctement leur comportement mécanique. Dans ce contexte, l’étude menée dans ce travail de thèse porte sur le développement de nouveaux éléments finis basés sur une approche numérique multi-échelle, appelée Approche de la Fibre Projetée (AFP). Cette approche a l’avantage de tenir compte de la présence des fibres au sein d’un espace matrice sans les discrétiser, ce qui limite considérablement la taille du système à résoudre. Pour analyser le comportement des structures composites, plusieurs éléments finis 2D et 3D ont été développés et implémentés dans le code ABAQUS via la routine UEL. Plusieurs cas tests de validation sont considérés pour tester la précision et l’efficacité des éléments finis proposés et les résultats obtenus sont globalement en bon accord avec les solutions de référence. De plus, l’intérêt de la nouvelle approche (AFP) est particulièrement mis en exergue en étudiant des structures composites complexe à renfort 3D : une plaque sandwich cousue et une plaque sandwich à âme creuse renforcée par des fibres en forme de « 8 ». / Numerical modeling of composite materials and structures with complex geometry of fiber reinforcement, such as stitched composites, constitutes a major research axis in order to correctly predict their mechanical behavior. Within this context, this study focuses on the development of new linear and nonlinear specific finite elements based on a multiscale numerical approach, called the Projected Fiber Approach (PFA). This numerical approach has the advantage of taking into account the presence of fi bers, long or short and distributed randomly or specifically, within a matrix space without discretizing them. Consequently, the obtained system of equations size is equivalent to that without reinforcement (matrix), which considerably reduces the computational cost. To analyze the linear and geometrically nonlinear behaviors of composite structures, two membrane finite elements, named PFT3 and PFQ4, and a 3D solid finite element, named PFH8, were developed and implemented into the commercial finite element code ABAQUS via the user element subroutine (UEL). Several numerical linear and nonlinear tests are considered to assess the accuracy and efficiency of the proposed composite finite elements, and the obtained results are globally in good agreement with the reference solutions. Moreover, the major interest of the PFA approach is particularly emphasized by studying two 3D complex reinforced composite structures: a stitched sandwich plate and a hollow core sandwich plate reinforced by "8" shape fibers.

Dans cette étude, plusieurs voies ont été explorées dans l’objectif d’utiliser des polyesters aliphatiques issus de ressources oléagineuses comme additifs pour le renfort au choc du poly(L-lactide) (PLLA). Dans un premier temps, des poly(ester-amide)s (PEAs) ont été synthétisés à partir de dérivés de l’huile de ricin. La relation structure-propriétés des PEAs obtenus a été clairement établie. La dispersion des PEAs (à différents taux) par extrusion à l’état fondu dans une matrice de PLLA a ensuite été effectuée, démontrant un accroissement de la résilience de ces mélanges en comparaison au PLLA seul. Une étude systématique reliant la structure d’une large gamme de polyesters aux propriétés des mélanges polyesters/PLLA, a ensuite été réalisée. Une forte dépendance de la résilience des mélanges polyesters/PLLA avec la cristallinité de l’additif polyester a été observée et quantifiée.Une amélioration des propriétés mécaniques du PLLA a également été obtenue par polymérisation par ouverture de cycle du lactide amorcée par un poly(acide ricinoléique) di-hydroxy téléchélique. Les copolymères triblocs ainsi formés ont été caractérisés d’un point de vue morphologique et mécanique.Enfin, un travail exploratoire utilisant l’ADMET comme méthode de polymérisation a été conduit, permettant la synthèse de nouveaux polymères prometteurs pour le renfort au choc du PLLA. Notamment, la copolymérisation de α,ω-diènes bio-sourcés a permis de mimer le polyéthylène basse densité linéaire, couramment employé pour le renfort au choc du PLLA. / The objective of this thesis work, is to promote the use of fatty acid-based aliphatic polyesters as impact modifiers for poly(L-lactide) (PLLA).Firstly, poly(ester-amide)s (PEAs) have been synthesized from castor oil derivatives. The structure-properties relationship of the PEAs so-formed was clearly established. The PEAs were then melt-blended with PLLA by extrusion, yielding blends with improved impact strength compared to neat PLLA.A series of polyesters covering a wide range of thermo-mechanical properties was then employed to evaluate the influence of the polyester morphology on the properties of the blends with PLLA. A strong dependence of the impact strength of the blends was noticed with the crystallinity degree of the polyester additive.An improvement of the mechanical properties of PLLA was also obtained by ring-opening polymerization of lactide initiated by a di-hydroxy telechelic poly(ricinoleic acid). The so-formed triblock copolymers were fully characterized in terms of morphology and mechanical properties.Finally, an exploratory investigation related to the synthesis of PLLA impact modifiers by ADMET was carried out. Particularly, the copolymerization of two bio-based α,ω-dienes yielded a series of “LLDPE like” polyesters, LLDPE being a commonly used impact modifier for PLLA.

La simulation des procédés de production des composites à renforts tissés est un enjeu majeur pour les industries de pointe, où leur utilisation s’intensifie. La maitrise des procédés d’obtention des composites à matrice et fibres en céramique, notamment les étapes de mise en forme et de pyrolyse, s’avère primordiale. La connaissance et la simulation du comportement mécanique aux différentes étapes est nécessaire pour optimiser les performances des pièces finales. Deux approches de modélisation macroscopique des renforts tissés épais de composite sont détaillées : une approche continue classique et une approche semi-discrète. Pour cela, une loi de comportement hyperélastique initialement orthotrope est développée. Cette loi est basée sur l’observation phénoménologique des modes de déformation privilégiés, à partir desquels sont proposés des invariants physiques de la transformation. L’identification des paramètres matériaux nécessaires est décrite. Une version modifiée de cette loi, sans contribution en tension, est implémentée dans un élément semi-discret, où le travail en tension est alors pris en compte par des barres discrétisant le tissage réel. Les importantes différences de rigidités entre sollicitations en tension et en cisaillements font des renforts tissés épais des matériaux fortement anisotropes. Leur modélisation numérique met en évidence des phénomènes parasites ou des limitations liés à cette spécificité. Le phénomène de verrouillage en tension est tout d’abord mis en évidence. Une solution basée sur une formulation éléments finis enhanced assumed strain est proposée pour des éléments continus classiques ou semi-discrets. Puis des problèmes liés aux simulations numériques dominées par la flexion sont soulevés : l’hourglassing transverse et l’absence de résistance locale à la courbure. Dans le cas de l’hourglassing transverse, deux méthodes de rigidification de ces modes de déplacement sont proposées : par moyennage des dilatations dans l’élément ou par ajout d’une rigidité matérielle tangente supplémentaire. Pour l’introduction d’une résistance à la courbure, une méthode basée sur l’utilisation purement numérique de plaques rotation free est proposée. Celles-ci permettent le calcul de la courbure induisant, par l’intermédiaire d’un moment de flexion, des efforts internes supplémentaires. Finalement, la modélisation du retour élastique après pyrolyse de la matrice organique à précurseurs céramique est réalisée. Le comportement de la matrice pyrolysée est identifié expérimentalement à l’aide d’une loi hyperélastique isotrope transverse. L’addition de cette loi, qui prend comme référence la préforme déformée, à la loi de comportement initiale du renfort tissé permet de visualiser les déformations obtenues en fin de pyrolyse. Cette modélisation est comparée à des résultats expérimentaux. / Manufacture processes modeling of woven fabrics composites is a major stake for state-of-the-art industrial parts, where their usage is intensifying. Control of all the manufacturing stages of ceramic matrix composites, particularly the forming and pyrolysis steps, is essential. Understanding and simulation of the mechanical behavior at each stage is required to optimize the final product performances. Two macroscopic modeling approaches of thick woven fabric reinforcements are detailed: a continuous classical one and a semi-discrete one. An initially orthotropic hyperelastic constitutive law is thus established. This law is based on a phenomenological observation of the main fabric deformation modes, from where physical invariants of the deformation are suggested. The required material parameters identification is explained. A modified version of this law, without any tensile energetic contribution, is implemented in a semi-discrete element where the tensile work is taken into account by bars that discretize the real weaving. Thick woven reinforcements are highly anisotropic materials due to the large ratio between the tensile rigidity and the others. Their numerical modeling highlights spurious phenomena and limitations related to this specificity. The tension locking is firstly tackled. A remedy based on an enhanced assumed strain finite element formulation is suggested for classical continuum and semi-discrete elements. Problems linked to bending-dominated numerical simulations are brought to attention : transverse hourglassing and lack of local bending stiffness. For the transverse hourglassing situation, two stiffening technics are proposed : averaging the dilatation through the whole element or adding a supplementary tangent material rigidity in a specific direction. The local bending stiffness problem is solved by calculating the curvature inside the element by using rotation free plates. The induced bending moment leads to supplementary internal loads. Finally, the elastic springback following the pyrolysis of the polymer matrix with ceramic precursors is modeled. The constitutive behavior is experimentally identified with a transverse isotropic hyperelastic law. Added to the initial reinforcements’ hyperelastic law, with the preformed fabric as reference configuration, the pyrolysis induced deformations can be visualized. This final model is compared with experimental results.