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Analyse des endommagements dans les pipes en matériaux composites
No full textDamage modelling of hybrid composite materials has played an important role in the design of composite structures. Although numerical models for the progressive damage of filament wound hybrid composite pipes such, matrix cracking, delamination, and fiber failure have been developed in the literature; there is still a need for improvement. This thesis aims to develop damage models suitable for predicting dynamic behaviour and intra-laminar and inter-laminar damage in hybrid composite tubes under internal pressure subjected to dynamic loading such as the impact of an external object. Fracture mechanics and continuum damage mechanics approaches were adopted to build the damage model. A detailed analysis was performed to have an overview of all the damage mechanisms until the final failure. Cohesive elements were inserted into the two-dimensional and three-dimensional models to simulate the initiation and propagation of matrix cracking and delamination in cross-layered laminates. The damage model was implemented in the FE code (Abaqus/Explicit) by a user-defined material subroutine (VUMAT). Subsequently, validations based on test/calculation correlations on real subsystems and/or parts were performed. Damage initiation was predicted based on the stress-strain failure criteria, while the damage evolution law was based on the dissipation of failure energy. The nonlinear behavior of the material in shear was also taken into account and validated against experimental/numerical results. The predictions show excellent agreement with the experimental observations.La modélisation de l'endommagement des matériaux composites hybrides a joué un rôle important dans la conception des structures composites. Bien que des modèles numériques pour l'endommagement progressif des pipes en matériaux composites hybrides à enroulement filamentaire, tels que la fissuration matricielle, le délaminage et la rupture des fibres, aient été développés dans la littérature, des améliorations sont encore nécessaires. Cette thèse vise à développer des modèles d'endommagement adaptés à la prédiction du comportement dynamique et l'endommagement intra-laminaire et inter-laminaire dans les tubes en matériaux composites hybrides sous une pression interne, et soumis à un chargement dynamique tel que l'impact d'un objet externe. Les approches de la mécanique de la rupture et de la mécanique de l’endommagement ont été adoptées pour construire le modèle de dommages. Une analyse détaillée a été réalisée pour avoir une vue d'ensemble de tous les mécanismes d'endommagement jusqu'à la rupture finale. Des éléments cohésifs ont été implémentés dans les modèles bidimensionnels et tridimensionnels pour simuler l'initiation et la propagation d’endommagement interlaminaire (délaminage) dans les stratifiés. Une subroutine a été implémentée dans le code de calcul FE (Abaqus/Explicit) via une VUMAT afin de modéliser l’endommagement intralaminaire. Par la suite, des validations basées sur des corrélations essai/calcul sur des sous-systèmes et/ou des pièces réelles ont été effectuées. L'initiation des dommages est prédite sur la base des critères de rupture contrainte-déformation, tandis que la loi d'évolution des dommages est basée sur la dissipation de l'énergie de rupture. Le comportement non linéaire du matériau en cisaillement a également été pris en compte et validé par rapport aux résultats expérimentaux. Les prédictions montrent un excellent accord avec les observations expérimentales
Étude des performances d’un composite carbone/époxy dopé par des nanocharges sous des sollicitations sévères
No full textThis thesis work was carried out in a context of valorization of composite materials based on nanofillers. The knowledge of the mechanical behavior of nanocomposites doped by nanofillers submitted to high dynamic loading is an important data for the designers of composite structures dedicated to civil and military applications. This behavior must be characterized in a wide range of deformation; for strain rates in the range of 10² to 10⁵s⁻¹. Particular attention is devoted to the Hopkinson pressure bar system (SHPB) because of its frequent use in such a wide range of deformation which corresponds to the strain rate deformation range of most industrial applications. In this context, we first conducted a study focused on the effect of nanofillers on the dynamic behavior and damage kinetics of a carbon/epoxy composite. We have chosen two types of nanofillers with similar chemical compositions (based on pure carbon) but two different geometries (quasi-1D for carbon nanotubes (CNT) and 2D for graphene nanoplatelets (GNP). The two series of nanocomposites CNT and GNP were prepared under the same conditions while using common mass fractions (0.5%, 1% and 2%) in order to conduct a comparative study of the two nanocomposite systems. A dynamic compression test (in-plane (IP) and out-of-plane (OP)) and a numerical study were conducted. It has been shown that the dynamic behavior and damage kinetics of the materials are very sensitive to the strain rate and the direction of solicitation. The results of these tests also allowed us to understand the influence of the addition of nanofillers on the response of the materials. The percentage of 1% GNP shows optimal performances in stiffness, maximum stress and resistance to damage. However, nanocomposites can be very sensitive to environmental conditions, in particular to hygrothermal aging that can reduce the mechanical performances. Therefore, the effect of hygrothermal aging (60°C/80%RH) on the lifetime of nanocomposites is studied experimentally (in-plane loading). Decreases of different mechanical properties as a function of time (15, 40 and 100 days) and absorbed water content are highlighted for each mass fraction. However, it was shown that the introduction of nanofillers, except in the case of 0.5% CNT, leads to a more significant degradation of the reference composite.Ce travail de thèse a été réalisé dans un contexte de valorisation des matériaux composites à base de nanocharges. La connaissance du comportement mécanique des nanocomposites dopés par des nanocharges soumis à des sollicitations dynamiques sévères est une donnée importante pour les concepteurs des structures composites dédiées aux applications civiles et militaires. Ce comportement doit être caractérisé dans un large domaine de déformation ; pour des vitesses de déformation pouvant atteindre 10⁵s⁻¹. Une attention particulière est portée au système des barres d’Hopkinson (SHPB) en raison de son utilisation fréquente dans une telle gamme de vitesses de déformation qui correspond à la gamme de vitesses de la plupart des applications industrielles. Dans ce contexte, nous avons mené dans un premier temps une étude centrée sur l’effet des nanocharges sur le comportement dynamique et la cinétique de l’endommagement d’un composite de référence à base de fibres de carbone noyées dans une matrice époxy. Nous avons opté pour le choix de deux types de nanocharges présentant une compositions chimiques pareilles (basé sur le carbone pur) mais deux géométries différentes (quasi-1D pour les nanotubes de carbone (NTC) et 2D pour les nanofeuillets de graphène (GNP)). On a préparé les deux séries de nanocomposites NTC et GNP dans les mêmes conditions tout en utilisant des fractions massiques communes (0.5%, 1% et 2%) pour pouvoir mener une étude comparative concernant les deux systèmes. Une campagne d’essais de compression dynamique, hors-plan (OP) et dans le plan (IP) et, ainsi qu’une étude numérique ont été menées. Il a été démontré que le comportement dynamique et la cinétique d’endommagement des matériaux sont très sensibles à la vitesse de déformation et à la direction de sollicitation. Les résultats de ces essais nous ont aussi permis d’appréhender l’influence de l’ajout des nanocharges sur la réponse des matériaux. Le pourcentage de 1% GNP montre des performances optimales en rigidité, contrainte maximale et résistance à l’endommagement. Toutefois, les nanocomposites peuvent être très sensibles aux conditions environnementales, en particulier au vieillissement hygrothermique qui peut réduire leurs performances mécaniques. De ce fait, l’effet du vieillissement hygrothermique (60°C/80% HR) sur la durée de vie des nanocomposites est alors étudié expérimentalement (chargement dans le plan). Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps (15, 40 et 100 jours) et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence pour chaque fraction massique. Cependant, il a été démontré que l’introduction de nanocharges, sauf dans le cas 0.5% NTC, entraine une dégradation plus importante du composite de référence
Comportement mécanique et rupture de l’interface adhésif / substrat d’assemblages collés vieillis en eau : caractérisation expérimentale et simulation numérique
No full textThe wind and tidal turbines are generally made of several materials. The multi-material assembly in marine environment arouse a lot of scientific issues. The water ageing of bonded assemblies increases the risk of failure at the interface between the bonded joint and the substrate (adhesive fracture). Only the fracture in the joint core (cohesive fracture) is taken into account by standards. The aim of this work is the addition of the adhesive failure in adhesively bonded joint design rules. Beyond the steps of the adhesive polymerisation conditions choice, the water ageing conditions choice and the identification of a material behaviour law dependent on the water concentration, particular attention was given to the study of the cohesive failure and the study of the adhesive failure. The critical strain energy release rate (GC) of the adhesive was calculated by means of TDCB tests, which a modification of the specimen was added to obtain cohesive failures for all ageing durations. Some numerical models allowed to obtain the GC evolution of the adhesive as function of the water concentration. The initiation of the interfacial (bonded joint/substrate), obtain by means of butt joint specimens, allowed to define and identify a stress initiation criterion. In addition, a test to propagate a crack on a single interface was developed and allowed to evaluate the interfacial critical strain energy release rate for various water concentrations. All developed tools allowed to develop a numerical model to predict the failure of adhesively bonded assemblies under water ageing with taking into account the adhesive failure.Les éoliennes ou hydroliennes sont des structures comprenant l'assemblage de matériaux diverses. L'assemblage multi-matériaux dans le milieu marin suscite un grand nombre de questionnements scientifiques. Le vieillissement hydrique des assemblages collés accroît le risque de rupture à l'interface colle/substrat (rupture adhésive). Néanmoins, seule la rupture au cœur du joint de colle (rupture cohésive) est prise en compte par les normes. L'objectif de ce travail est d'intégrer la rupture adhésive dans la prévision de la rupture d'assemblages collés. Outre les étapes de choix des conditions de polymérisation de l'adhésif, de choix des conditions de vieillissement, et de l'identification d'un modèle de comportement dépendant de la concentration en eau, une attention particulière a été portée à l'étude de la rupture cohésive et à l'étude de la rupture adhésive. Le taux de restitution d'énergie critique (GC) associé à la rupture cohésive de l'adhésif a été calculé à partir d'essais menés sur des éprouvettes TDCB, dont une modification a été apportée durant ces travaux afin de permettre d'obtenir des faciès de rupture cohésifs quelle que soit la durée de vieillissement. Des modèles numériques intégrant le comportement mécanique ont permis de caractériser l'évolution du GC de l'adhésif en fonction de la concentration en eau. L'amorçage de fissures à l'interface colle/substrat, obtenu par des essais bout-à-bout développé spécifiquement dans cet objectif, a permis de définir et d'identifier un critère d'amorçage en contrainte. En complément, un essai de propagation de fissure sur une interface, a permis d'évaluer le taux de restitution d'énergie interfacial pour différentes concentrations en eau. L'ensemble de ces outils a permis le développement d'un modèle numérique prédictif de la rupture d'un assemblage collé vieilli en eau intégrant la rupture adhésive
Numerical modeling of liquid sloshing in flexible tank with FSI approach
No full textInternational audiencePurpose The paper aims to present a numerical modeling procedure for the analysis of liquid sloshing in a flexible tank subjected to an external excitation, with taking into account the effects of fluid–structure interaction (FSI). Design/methodology/approach A numerical model based on coupling a two-phase flow solver and an elastic solid solver is developed in OpenFOAM code. The Arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation is adopted for the two-phase Navier–Stokes equations in a moving domain. The volume of fluid (VOF) method is applied for the air–liquid interface tracking. The finite volume method is used for the spatial discretization of both the fluid and the structure dynamics equations. The FSI coupling problem is solved by an explicit coupling scheme. The model is validated for linear and nonlinear sloshing cases. Then, it is used to analyze the effects of the liquid sloshing on the dynamic response of the tank and the effects of the tank flexibility on the liquid sloshing. Findings The obtained results show that the flexibility of the tank walls amplifies the amplitude of the sloshing and increases the fluctuation period of the air–liquid interface. Furthermore, it is found that the bending moment acting on the tank walls may be underestimated when rigid walls assumption is adopted as usually done in sloshing tank modeling. Also, tank walls flexibility causes a phase shift in the free surface dynamic response. Originality/value A review of previous studies on liquid sloshing in flexible tanks revealed that FSI effects have not been clearly and comprehensively analyzed for large-amplitude liquid sloshing. Many physical and numerical aspects of this problem still require clarifications and enhancements. The added value of the present work and its originality lie in the investigation of large-amplitude liquid sloshing in flexible tanks by using a staggered coupling approach. This approach is carried out by an original combination of a linear solid solver with a two phase fluid solver in OpenFOAM code. In addition, FSI effects on some response quantities, identified and analyzed herein, have not been found in the previous works
Interaction of Ultraintense Radially-Polarized Laser Pulses with Plasma Mirrors
No full textInternational audienc
Kinetic study of CO2 hydrate formation based on heat transfer measurement
No full textInternational audienceCarbon dioxyde hydrates are ice-like crystalline solids composed of CO2 molecules trapped inside cages of hydrogen-bonded water molecules. CO2 hydrates slurries can be used as phase change material for industrial issues of cold distribution, due to high dissociation enthalpy of CO2 hydrate (around 374 kJ kg-1 , higher than that of ice-333 kJ kg-1). However, formation rate of CO2 hydrate is a real limitation, and the way to control and promote it is a key parameter. The present work investigates kinetics studies of CO2 hydrate crystallization for various pressure and stirring rate conditions in a stirred batch jacketed reactor. A heat transfer measurement method is used to determine the rate of hydrate formation. In a first time, the method has been validated by evaluating ice crystallization then it was applied to CO2 hydrates crystallization. Finally, an empirical model have been tested for describing the experimental results and compare to other kinetics determination
Evaluation of metallic bonded plates with nonlinear ultrasound and comparison with destructive testing
No full textInternational audienceIn the last decades, the use of structural adhesives has increased. Indeed, they are able to replace advantageously traditional assembly techniques such as riveting or bolting, and generally tend to reduce the global weight of the structure and/or improve the strength of the structure thanks to more homogeneous stress distribution. In addition, it allows the assembly of composite materials or materials having different nature, which is of great interest in the aeronautic industry. However, to be used for structural joining and critical application, reliable non-destructive testing techniques are compulsory for evident safety reasons, be it after fabrication or during the whole life of the structure. While linear ultrasounds have demonstrated their capability to detect easily decohesion or voids in a structure, their use for bond strength inspection is less straightforward. Another approach relies on the analysis of nonlinear signature of a bond defect inspected by high amplitude ultrasound. In the present paper, a Chaotic Cavity Transducer is used to inspect various metallic bonded plates (titanium or aluminum) with several bond defects. The defects were introduced by depositing localized surface pollution (introduction of PTFE spray, release agent, or fingerprints) before the adhesive is deposited on top of the surface. Combined with the pulse inversion technique, high amplitude plane waves were sent in the structure, leading to harmonic components observed in the defect region. Mechanical destructive tests were performed and display a good agreement with nondestructive tests
