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Conceptualisation et classification des problèmes de fatigue mécanique
No full textInternational audienceOn propose de conceptualiser et de classifier les problèmes de calcul de structures dits de fatigue (dans le cadre de la Mécanique de lʼEndommagement). Parce que le concept de fatigue est avant tout un concept que lʼon peut estimer structural plutôt que local, cette classification est faite dʼabord sur des grandeurs structurales. Ensuite, on donne une classification faite sur des grandeurs locales. Lʼobjectif de ces classifications est de favoriser la résolution locale des problèmes de fatigue dʼune classe donnée en aidant à la justification du passage des lois dʼévolution obtenues par la Thermodynamique à celles écrites dans le cadre de la fatigue
Effet de la porosité dans les réservoirs composites à parois épaisses : Observations expérimentales et modélisation numérique
No full textDans cette thèse, on analyse l'effet de la porosité sur le comportement mécanique d'un matériau composite à fibres de carbone utilisé dans le cadre d'applications à hautes performances. Les réservoirs hyperbare destinés au stockage de l'hydrogène en sont un exemple. Du fait de leur fabrication par enroulement filamentaire, ces structures à parois épaisses présentent des taux de porosité parfois très élevés. La conséquence de telles porosités sur la durabilité des réservoirs et plus largement sur des structures composites chargées de manière multi-axiale est très peu documentée. Les travaux présentés ici s'inscrivent par ailleurs dans le développement d'un modèle existant à MINES ParisTech et ayant fait ses preuves pour prédire la résistance de composites unidirectionnels. Il s'agit ici de perfectionner ce modèle en intégrant de nouveaux facteurs comme les porosités. Des observations (tomographie aux rayons X et microscopie optique) d'un réservoir sont réalisées afin de caractériser les vides et leur distribution au sein de la structure. En parallèle, une étude expérimentale est conduite sur des éprouvettes à différents taux de porosité. La résistance de ces éprouvettes, chargées simultanément en traction longitudinale et compression transverse, est évaluée grace à un système expérimental spécialement conçu. A des échelles encore plus fines, des essais sont réalisés sur des échantillons d'époxy entaillés pour caractériser la croissance des cavités microscopiques et le comportement mécanique de la résine sous un état des contraintes multi-axial. Toutes ces données expérimentales sont ensuite exploitées et intégrées dans le modèle numérique afin de simuler le comportement à rupture d'un réservoir à parois épaisses.The topic of this thesis is the influence of voids on the mechanical properties of carbon fibre reinforced polymers used in high performance applications, such as pressure vessels for hydrogen storage. Manufactured through filament winding, these thick-walled structures can show a significant void content. The effect of these voids on the strength of pressure vessels and, more in general, on the strength of composite structures subjected to multiaxial loads, is not thoroughly understood. The work presented in this thesis is carried out in the context of an existing model of tensile failure of unidirectional composites developed at MINES ParisTech. The objective of the work presented here is to take into account additional factors, such as void content. X-ray tomography and optical microscopy observations are carried out to characterize voids in a carbon-epoxy pressure vessel. In another experimental study, mechanical tests are performed on carbon-epoxy specimens with different levels of void content. The influence of a biaxial load (longitudinal tension and through-thickness compression) is evaluated using a custom-designed experimental setup.At the microscopic scale, tests on notched epoxy specimens are carried out to investigate microscopic void growth and the mechanical behaviour of the resin under a multiaxial stress state. Finally, a numerical approach to modelling failure of a thick-walled cylinder is proposed in the framework of the multiscale fibre break model, taking into account the experimental observations
Towards a local approach to fatigue, for the calculation of structures, applied to continuous fibre reinforced composite materials and structures
No full textLe concept de fatigue mécanique au sens originel fait référence au niveau structural et opère donc sur les structures, c'est-à-dire dans le cadre de la Mécanique de la Rupture. Les modèles construits doivent donc réaliser leur identification sur une structure : changer la structure, change donc le modèle et donc l'identification du modèle. L'emploi d'une Mécanique qui traite toujours les problèmes d'endommagement mais dans un cadre plus local est donc forcément judicieux : la Mécanique de l'Endommagement est une bonne candidate. Les modèles de comportements endommageables construits dans ce cadre ne nécessitent qu'une unique identification à l'échelle du VER et sont utilisables dans n'importe quelle géométrie structurale. Cette voie a été évidemment prise depuis longtemps. Toutefois, on y rencontre souvent des incohérences. Par exemple, le compteur de cycles de la sollicitation appliquée à la structure se retrouve gouverner la loi d'évolution des phénomènes d'endommagement au niveau local. Pourtant, il n'y a aucune raison objective qui puisse justifier cela sans précaution, et c'est parfois parfaitement faux. Il s'agit dans cette étude de faire rentrer rigoureusement le concept de fatigue mécanique dans le cadre local de la Mécanique de l'Endommagement et de réaliser une approche locale de la fatigue. Le but ultime est de réaliser des calculs de structure sous sollicitations de fatigue avec la même exigence de validité que des calculs de structure sous sollicitations quasi-statiques.En tout premier lieu, la mise en évidence des carences de l'existant démontre qu'à l'heure actuelle rien ne permet de réaliser un calcul de structure en fatigue, utilisant la Mécanique de l'Endommagement, dans des conditions parfaitement satisfaisantes.C'est la raison pour laquelle, en second lieu, la notion de problème de fatigue est formalisée Cette formalisation est à la base d'un cadre que l'on estime propice à l'écriture d'une approche locale de la fatigue.Le souhait délibéré de ne pas construire des lois de fatigue incrémentales mais des lois gouvernées par un compteur de sollicitations et surtout déduites de lois d'évolution écrites en quasi-statique, oblige à des règles de linéarisation, puis à l'énoncé précis d'une démarche.En utilisant des cas particuliers de problèmes de fatigue et en appliquant la démarche énoncée, l'écriture rigoureuse et l'identification d'un modèle d'endommagement en fatigue pour le phénomène de fissuration intralaminaire présent dans les composites à fibres continues est réalisée. Les lois locales de fatigue écrites sont mises en place dans un processus de calcul de structure sous sollicitation de fatigue. On constate, pour ces cas particulier de matériaux et de phénomène d'endommagement, qu'avec la démarche mise en place, la résolution des problèmes de calcul de structure en fatigue peut être réalisée avec la même aisance que la résolution des problèmes de calcul de structure sous sollicitations quasi-statiques.Ce travail pose des bases très générales pour une approche nouvelle de la fatigue des structures. Il clarifie le concept de fatigue en le faisant rentrer dans un cadre très structurédans le but de mener à bien une approche locale de la fatigue, en vue d'une utilisation dans des calculs de structure en fatigue. Il a été utilisé avec succès dans une configuration particulière. Pourtant, pour l'heure, il est difficile de dire s'il va permettre une approche locale de la fatigue pour tous les phénomènes, tous les matériaux et pour les cas les plus généraux de sollicitations. Cette étude n'a pas pour ambition d'amener une réponse à tous ces cas mais d'être une voie ouverte à la résolution d'autres cas, voire à une généralisation sans condition, d'une approche locale de la fatigue.The original concept of mechanical fatigue was linked to the failure of structures and was treated at first within the framework of Fracture Mechanics. Models developed to explain this phenomenon must therefore be able to be applied to structures: changing the structure means changes to the model and its identification. It is therefore judicious to develop models capable of treating both the damage processes and also able to be used within a local framework: to this end a method based on Damage Mechanics seems appropriate. This approach has long been employed and requires only the identification of damage processes at the level of the RVE (Representative Volume Element) to be used for any structural geometry. However incoherencies can be encountered such as when the number of load cycles applied to the macroscopic structure does not reflect the internal loading kinetics, leading, for example to effects due to the frequency of loading. This can be found to influence the laws governing the evolution of damage phenomena at the local level, leading to wrong conclusions. Nevertheless this is not inevitable if precautions are taken. This goal of this study has been to introduce rigorous concepts of mechanical fatigue in the local framework of Damage Mechanics and to carry out a local approach to fatigue. The ultimate aim has been to be able to carry out calculations on structures subjected to fatigue loading with the same degree of finesse as under quasi-static conditions.An initial step has been to reveal the shortcomings of existing models and show that at present no model of a structure subjected to fatigue using Damage Mechanics is perfectly satisfactory.As a result the notion of the fatigue problem has been formulated and used as a base for defining a suitable framework for developing a local approach to fatigue.A deliberate goal has been to avoid constructing incremental fatigue laws but to introduce the real effects of loading cycles deduced from the evolution of behavioural laws obtained in quasi-static tests, requiring rules of linearization and a clear definition of the adopted approach.Benefiting from specific problems involving fatigue damage and applying them to this approach, a rigorous description of the phenomena and the identification of a fatigue damage model applied to intra-laminar cracking has been developed. The laws governing the local approach have been described for the case of a structure subjected to fatigue. It has been shown that for a given case of a material and damage processes the proposed approach applied to a structure subjected to fatigue loading can be modelled with the same ease as resolving the effects of quasi-static loading.This study has created very general foundations for a new approach to understanding the fatigue of structures. It clarifies the fatigue concept by defining it within a tightly defined framework with the goal of formulating a local approach to fatigue applied to the calculation of structures subjected to fatigue loading. It has been successfully used for a particular configuration. However for the present it is difficult to assert that it can be used as a local approach for all fatigue phenomena, in all materials and for the most general types of loading. The study has not had the ambition of providing a solution to all these cases but rather to open a new approach to resolve other cases and possibly to provide a guideline to achieving a truly local approach to a general solution of the fatigue of structures
Modélisation des composites microfissurés. Utilisation d'un nouveau concept pour la mécanique de l'endommagement inspiré de la mécanique de la rupture
No full textNational audienceOn propose dans cette étude un modèle de comportement d'un milieu composite microfissuré formulé de manière tridimensionnelle, qui résout l'ensemble des contraintes théoriques indispensables à la cohérence d'un modèle, notamment, le respect de la condition de contact unilatéral et la prise de l'anisotropie induite. Pour parvenir à ce résultat, on a étendu à la Mécanique de l'Endommagement, la notion de Mode d'Ouverture d'une fissure qui existe en Mécanique de la Rupture
From fracture to damage mechanics: a behavior law for microcracked composites using the concept of crack opening mode
No full textInternational audienceMany studies have been carried out in order to build a coherent macroscopic behavior law for a composite containing microcracks. All of them are only partially coherent and none of them is complete. This study proposes a hyperelastic behavior law for a microcracked composite, respecting all the conditions associated with the damage activation/deactivation, stress/strain relation continuity, induced anisotropy and the Clausius–Duhem inequality. This approach is based on the definition of the Crack Opening Mode for Damage Mechanics as it exists in Fracture Mechanics
Mode d'ouverture d'une fissure : de la mécanique de la rupture à la mécanique de l'endommagement = Crack opening mode : from fracture mecanichs to damage mecanichs
No full textInternational audienceOn propose dans cette étude un modèle de comportement d'un milieu composite microfissuré formulé de manière tridimensionnelle, qui résout l'ensemble des contraintes théoriques indispensables à la cohérence d'un modèle, notamment, le respect de la condition de contact unilatéral et la prise de l'anisotropie induite. Pour parvenir à ce résultat, on a étendu à la Mécanique de l'Endommagement, la notion de Mode d'Ouverture d'une fissure qui existe en Mécanique de la Ruptur
Pour une approche locale de la fatigue : proposition d'une conceptualisation et d'une classification des problèmes de fatigue
No full textInternational audienceDans cette étude, on propose de conceptualiser et de classifier les problèmes de calcul de structures dits de fatigue (dans le cadre de la Mécanique de l'Endommagement). Parce que le concept de fatigue est avant tout un concept que l'on peut estimer structural plutôt que local, cette classification est faite d'abord sur des grandeurs structurales. Ensuite, on donne une classification faite sur des grandeurs locales. L'objectif de ces classifications est de favoriser la résolution locale des problèmes de fatigue d'une classe donnée en aidant à la justification du passage des lois d'évolution obtenues par la Thermodynamique à celles écrites dans le cadre de la fatigue
A Model for the Recovery of Thermomechanical Properties in Strongly Anisotropic Damaged Materials
No full textInternational audienc
Caracterization and modeling of mechanical behavior of 3D braided composites : Application to the design of NGV vessels
No full textCette thèse porte sur l'étude du comportement mécanique et l'endommagement d'un composite tressé 3D, utilisé pour fabriquer des réservoirs multiformes destinés à l'industrie automobile. L'analyse du matériau se base sur une approche expérimentale et une approche numérique. Sur le plan expérimental, des essais de caractérisation ont permis d'identifier l'ensemble des modules d'élasticité nécessaires pour établir la matrice de rigidité du matériau. De même, des essais expérimentaux ont permis d'étudier le processus d'endommagement du matériau en utilisant deux méthodes de suivie. La première consiste à utiliser une caméra munie d'un zoom pour observer les mécanismes d'endommagement qui se créent au cours du chargement. La deuxième méthode, quant à elle, utilise la technique de l'émission acoustique pour détecter en temps réel les mêmes phénomènes. Le couplage des deux méthodes a permis de dresser la chronologie de l'apparition de ces mécanismes d'endommagement. Sur le plan numérique, une analyse multiéchelle a permis d'évaluer l'influence des fissurations transversales et des décohésions d'interface sur les propriétés mécaniques du matériau. Pour cela, une cellule de base caractéristique de la microstructure a été modélisée. Par une technique d'homogénéisation appliquée à différentes échelles du matériau, les propriétés macroscopiques du composite ont été déterminées à partir de celles de ses constituants de base. Par la suite, des défauts sont introduits de manière discrète sur la même cellule de base. Par le même processus d'homogénéisation à l'échelle mésoscopique, les propriétés du matériau endommagé sont déterminées et comparées à celles du matériau non endommagé. Enfin, un pré-dimensionnement des réservoirs a été effectué en utilisant des critères de rupture classiques pour validation.This thesis focuses of the mechanical behavior and damage of a 3D braided composite. The material analysis is based on experimental and numerical approaches. First, mechanical tests have identified all the necessary elastic moduli to determine the stiffness matrix of the material. Similarly, experimental tests were performed to study the material damage process using two investigation methods. The first consists on using a camera with a large magnifier in order to observe damage mechanisms created during loading. The second uses the acoustic emission technique to detect in real time the same phenomena. The coupling of the two methods allowed to establish the chronology of the development of these damage mechanisms. In numerical terms, a multiscale analysis approach enables to evaluate the impact of transverse cracks and debonding on the mechanical properties. Thus, a representative cell of the material microstructure is built to predict the macroscopic properties of the material from the properties of its constituents. Defects are introduced during the meshing using a program that allows duplication of nodes at the interfaceto create debonding or to create transverse cracks inside yarns. Through the same homogenization process, the damaged material properties are determined and compared to that of the undamaged material. Finally, a design of tanks are proposed by using strength criteria for their validation
A theoretical and experimental study to point out the notion of loading mode in damage mechanicsApplication to the identification and validation of a fatigue damage modeling for laminates composites
No full textInternational audienc
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