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Multiscale damage modelling of a thermoset composite reinforced by short carbon fibers
No full textL'évolution du contexte industriel pousse l'industrie du transport, et plus particulièrement le secteur automobile, à réaliser des gains de de masse. Ceci passe, pour partie, par le développement de nouvelles solutions en matériaux composites. Le présent travail de thèse est consacré à la caractérisation mécanique et à la modélisation micromécanique d'un nouveau matériau composite SMC renforcé de mèches de fibres de carbone. L'objectif est de constituer une première base de connaissances sur le comportement de ce SMC en fatigue. Les investigations expérimentales passent notamment par l'analyse de la microstructure, la caractérisation du comportement mécanique sous sollicitation quasi-statique et de fatigue ainsi que par l'analyse des modes de dégradations. L'approche multi-échelle développée prend en compte la microstructure du matériau aux deux échelles mises en évidence à travers deux homogénéisations successives par une méthode Mori-Tanaka. Cette stratégie de modélisation permet de relier le comportement des fibres et le comportement élasto-plastique de la matrice à travers une loi de comportement dédiée à celui du matériau composite, et enfin d'intégrer la distribution d'orientation des mèches induites par le procédé de thermocompression.Le modèle multi-échelle a été identifié par une méthode inverse à partir des bases de données expérimentales constituées lors des travaux. La loi constitutive globale, à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif, a été implémentée dans la bibliothèque scientifique SMART+ en langage C++ et a été conçue pour être compatible dans le cadre d'analyse de structures par éléments finis. En régime non-linéaire intégrant l’endommagement.The evolution of the industrial context is pushing the transport industry, and more specifically the automotive sector, toward better energy efficiency. This objective is partly achieved by the development of new composite material solutions. The current work is devoted to the mechanical characterization and the multiscale modeling of a new SMC composite material reinforced with short carbon fibers bundles. The objective is to build a first knowledge base on the behavior of this SMC under fatigue loading. Experimental investigations include the analysis of the microstructure, the characterization of the mechanical behavior under quasi-static and fatigue loading, as well as the analysis of the damage mechanisms. The proposed multiscale approach takes into account the microstructure of the composite at the two scales highlighted through two successive homogenizations by the means of a Mori-Tanaka based method. Such modelling strategy makes it possible to relate elasto-plastic behavior of the matrix through dedicated local constitutive laws and the behavior of the fibers to that of the composite material, and to integrate the orientation distribution of the bundles induced by the manufacturing process... The multiscale model was identified by the mean of an inverse computation method applied on the experimental results taken from the databases created during the works.The global constitutive law, computed at the scale of a representative elementary volume, has been implemented in the SMART+ scientific library in C++ language in such a manner to be compatible in a finite element analysis (FEA) framework
Coupled experimental-numerical study and identification of multiaxial SMA constitutive behavior
No full textLes travaux présentés ont consisté à développer des stratégies d'identification performantes des paramètres des lois de comportement superélastique des Alliages à Mémoire de Forme (AMF). L'objectif est de disposer d'une solution complète de caractérisation, d'identification, et de simulation de structures en AMF soumises à des sollicitations complexes. Une base de données expérimentale unifiée pour un alliage de NiTi superélastique a été établie pour une multitude de trajets de déformation multiaxiaux et à différentes températures : en traction homogène, en compression, en traction-compression et en traction-traction. Une caractérisation expérimentale a été développée sur une plate-forme multiaxiale assemblée au laboratoire durant ce travail. L'emploi de la corrélation d'images a permis d'enrichir la base de données expérimentale en déterminant pour chaque essai les champs cinématiques. Cette collection d'essais a permis de montrer l'importante différence de comportement observée entre les directions de laminage et transverse, bien que le matériau soit faiblement texturé. Des procédures d'identification du comportement thermomécanique des AMF ont été mises en place, basées sur la construction et minimisation d'une fonction objectif régularisée. La première est basée sur l'exploitation des courbes contrainte-déformation moyennes sous chargement homogène et unixial. La seconde exploite la richesse des champs de déformations mesurés en essai hétérogène. Les deux stratégies ont permis d'identifier les huit paramètres gouvernant le comportement superélastique du modèle de Chemisky et al. (Chemisky et al. 2011). Des différences entre les jeux de paramètres identifiés sont caractéristiques des effets d'anisotropie observés. Le succès de cette stratégie démontre sa pertinence et est encourageant pour l'identification de paramètres de lois de comportement anisotropes.In this work, efficient identification strategies were developed to determine the characteristic parameters of the thermomechanical behavior of pseudoelastic Shape Memory Alloys (SMA). The aim is to obtain a complete solution for characterization, identification and numerical simulation of SMA structures undergoing multiaxial loading paths. A unified experimental database has been constructed to characterize the behavior of superelastic NiTi SMAs. This database includes tension, compression, tension-tension and tension-compression multiaxial tests at different temperatures. A characterization methodology has been developed on a multiaxial testing setup, which has been assembled in the laboratory during this Ph.D. project. Vital information about the strain fields for each test is added to the experimental database through the use of Digital Image Correlation. A significant difference in the thermomechanical behavior between the rolling and transverse directions has been observed, even when the specimens are not strongly textured. Two strategies were developed that rely on the minimization of a regularized cost function for identification of thermomechanical constitutive law parameters. The first identification procedure is based on uniaxial homogeneous tests at different temperatures. In the other strategy the information of strain fields of heterogeneous tests are utilized. In each case, the eight material parameters of the constitutive law of Chemisky et al. (Chemisky et al. 2011) have been identified. A difference between the identified parameters in the rolling and transverse direction is noted and corresponds to the effect of anisotropy. Nevertheless, the capabilities of the relevant identification strategies shall allow the determination of the parameters of anisotropic constitutive laws
Analysis and modeling of the damage and deformation mechanisms under multiaxial fatigue of thermoplastic composites : polyamide reinforced by short fibers
No full textLe présent travail de thèse se consacre au développement d'un nouveau modèle micromécanique pour les composites en thermoplastique renforcé par des fibres de verre courtes. L'objectif est notamment la modélisation du comportement visco-endommageable en fatigue du PA66-GF30. Ce matériau, particulièrement utilisé dans l'industrie automobile, est sujet à une microstructure spécifique issue du procédé de moulage par injection. L'approche multi-échelles développée consiste en une méthode de Mori-Tanaka modifiée, appliquée à des renforts avec enrobage et prenant en compte l'évolution de l'endommagement à l'échelle microscopique. La description des mécanismes d'endommagement se base sur une investigation expérimentale poussée préalablement menée au sein de l'équipe. Des scénarios d'endommagement ont été proposés et incluent trois processus locaux différents : la décohésion de l'interface, la microfissuration de la matrice et les ruptures de fibres. Ceux-ci sont spécialement affectés par la microstructure. L'approche développée intègre ces cinétiques d'endommagement ainsi que la viscoélasticité non-linéaire de la matrice et la distribution d'orientation des inclusions due au procédé de fabrication. Chaque mécanisme d'endommagement est modélisé par une loi d'évolution basée sur les contraintes locales calculées à l'échelle microscopique. La loi constitutive finale, à l'échelle du volume élémentaire représentatif, est implémentée dans une bibliothèque scientifique en C++, SMART+, et est conçue pour être compatible avec une analyse de structures par éléments finis. L'identification du modèle est réalisée par rétro-ingénierie, en tirant profit de résultats expérimentaux multi-échelles, dont notamment des tests in-situ au MEB ainsi qu'une analyse qualitative et quantitative par μCT.The current work focuses on a new micromechanical high cycle fatigue visco-damage model for short glass fiber reinforced thermoplastic composites, namely: PA66/GF30. This material, extensively used for automotive applications, has a specific microstructure which is induced by the injection process. The multi-scale developed approach is a modified Mori-Tanaka method that includes coated reinforcements and the evolution of micro-scale damage processes. Their description is based on the experimental investigations of damage mechanisms previously performed by the team. Damage chronologies have been proposed involving three different local degradation processes: fiber-matrix interface debonding/coating degradation, matrix microcracking and fiber breakage. Their occurrence strongly depends on the microstructure. The developed model integrates these damage kinetics and accounts for the complex matrix viscoelasticity and the reinforcement orientation distributions induced by the process. Each damage mechanism is introduced through an evolution law involving local stress fields computed at the microscale. The developed constitutive law at the representative volume element scale is implemented into a C++ scientific library, SMART+, and is designed to work with Finite Element Methods. The model identification is performed via reverse engineering, taking advantage of the multiscale experimental results: in-situ SEM tests as well as quantitative and qualitative μCT investigations
Study of mechanical and damage behavior of smc composite materials subjected to dynamic, fatigue and post-fatigue dynamic loadings
No full textLe dimensionnement au crash des structures automobiles en matériaux composites à renforts discontinus tels que les SMC est généralement réalisé sur la base de données expérimentales recueillies sur des matériaux vierges n’ayant subi aucun chargement depuis leur mise en œuvre. Or, les accidents proviennent après quelques années de mise en service durant lesquelles la structure composite est soumise généralement à des sollicitations de type fatigue à plus ou moins grande amplitude. La prise en compte d’un pré-endommagement éventuel en fatigue devient alors essentielle si l’on veut rester réaliste. Par ailleurs, de nouvelles formulations de matériaux composites SMC ont été récemment développées. Leur comportement en fatigue et sous sollicitation rapide étaient jusqu’à lors inexplorés. Cette étude à caractère fortement expérimentale a donc pour but d’apporter la connaissance nécessaire au dimensionnement de structures en matériaux SMC de diverses formulations, notamment le A-SMC et le LD-SMC. Le premier correspond à une matrice vinylester fortement renforcée de mèches de fibres de verre (50%). Le second correspond à une formulation proche de celle d’un SMC standard dans laquelle on a rajouté un fort taux de billes de verre creuse afin de réduire la densité. Une analyse multi-échelle permet de mettre en évidence l’influence de la microstructure sur les phénomènes d’endommagement sous sollicitation quasi-statique, dynamique et fatigue. Des méthodes originales d’analyse expérimentale sont développées afin de corréler ces mécanismes aux comportements macroscopiques observés. Les essais dynamiques rapides optimisés sont réalisés jusqu’à des vitesses de déformation de l’ordre de 80 s-1 et mettent en évidence un comportement visco-endommageable pour les deux matériaux SMC étudiés. Le décalage du seuil d’endommagement et la baisse de la cinétique d’endommagement observés à l’échelle macroscopique sont directement corrélés au seuil et cinétique des mécanismes d’endommagement observés à l’échelle locale telles que la rupture à l’interface fibre-matrice ou bille-matrice, la microfissuration de la matrice et le pseudo-délaminage entre les mèches de fibres de verre. Par ailleurs, une analyse multi-échelle du même type est également réalisée sous sollicitation de type fatigue dans laquelle les fréquences varient de 10 à 100 Hz. Une étude de l’influence des phénomènes d’auto-échauffement sur l’endommagement et le comportement du A-SMC est proposée. Enfin, une analyse originale des propriétés résiduelles sous sollicitation rapide d’échantillons préalablement fatigués à différents niveaux de fraction de durée de vie met en évidence une forte influence de l’histoire du chargement sur la sensibilité du A-SMC à la vitesse de sollicitation. L’ensemble des résultats de cette étude, de par son apport de compréhension des phénomènes mis en jeu, constitue la base expérimentale nécessaire à la construction d’outils de dimensionnement adaptés aux structures SMC sous sollicitations cycliques et dynamiques.Classically, crash design of automotive composite structures made of discontinuous reinforcements such as SMC is usually based on experimental data obtained from virgin materials without any history of loading. However, crash events always occur after a few years of use during which composite structure is generally subjected to more or less important fatigue loading. Taking into account of a potential pre-damage in fatigue becomes essential if we want to stay realistic. Moreover, new formulations of SMC composites have been developed recently. Up to now, their fatigue and dynamic behavior were never being explored. This study, of a mostly experimental nature, aims to provide the knowledge necessary for design of structures made of various SMC formulations including A-SMC and LD-SMC. The first one is a vinylester matrix reinforced with a high content of glass fibers (50%). The second corresponds to a standard SMC formulation in which we added a high content of hollow glass micro-sphere in order to reduce density. A systematic multi-scale analysis allows to highlight the influence of the microstructure on damage phenomena under quasi-static, dynamic and fatigue loading. Original experimental methods are developed to correlate these mechanisms to the observed macroscopic behavior. Optimized dynamic tests are performed at strain rate up to 80 s-1 and highlight a visco-damageable behavior for the two SMC materials in study. Damage threshold delay and reduction of damage kinetics observed at the macroscopic scale are directly correlated to the threshold and kinetic of damage development observed at the local scale such as fiber-matrix or matrix-microsphere interfaces, matrix micro-cracking and pseudo-delamination between the bundles of glass fiber. Moreover, a similar multi-scale analysis is also performed under fatigue loading in which the frequency ranges from 10 to 100 Hz. A study of the influence of the self-heating phenomenon on the fatigue damage behavior of A-SMC is proposed. Finally, an original analysis of the remaining dynamic properties of samples which were previously submitted to fatigue loading until different levels of lifetime highlights a strong influence of the history of the loading on the strain rate sensitivity of the A-SMC. Considering the high contribution of this study in term of comprehension of the phenomena involved in the mechanical response of SMC materials, all of the experimental findings of this study provide the physical background crucial to build structural design tools for SMC subjected to cyclic and dynamic loading
Multiscale model and experimental characterization of glass fiber reinforced thermoplastic composite under dynamic loading
No full textLe présent travail de thèse a pour objectif de développer un outil de modélisation par transition d’échelles sous forme de machine d’essais virtuels. Celle-ci, utilisée conjointement aux codes de calculs de structures, permet de déterminer le comportement anisotrope complexe de composites à matrice polypropylène chargés en fibres de verre courtes sous sollicitations dynamiques. La microstructure en cœur-peau induite par le procédé d’injection du matériau est investiguée expérimentalement par μCT. Le comportement dynamique est caractérisé pour des vitesses de déformation allant jusqu’à 200s-1 au moyen d’une une méthodologie expérimentale basée sur l’utilisation d’un joint d’amortissement et d’une optimisation des éprouvettes. Les mécanismes d’endommagement sont analysés expérimentalement par essai in situ. Ils mettent en évidence le phénomène d’endommagent prépondérant qui est la décohésion de l’interface fibre matrice. Basé sur ces résultats expérimentaux, l’approche multi échelles développée consiste en une méthode de Mori Tanaka incrémentale appliquée à une matrice élastoviscoplastique et des renforts enrobés intégrant l’évolution de l’endommagement à l’échelle mésoscopique. L’endommagement introduit dans les enrobages perturbe le transfert de charge entre la matrice et les renforts. De plus, la dépendance à la vitesse de déformation, aux orientations et aux taux de fibre du modèle sont corrélés par des essais. La machine d’essais virtuels est validée par modélisation de structures. L’outil prédictif ainsi développé prend en compte le minimum nécessaire à la description de la microstructure tout en étant fiable et pertinent dans la modélisation de composites sous sollicitations dynamiques modérées.The current work focuses on the development of a micromechanical modeling tool in the form of a virtual test machine which, used with the structural calculation codes, allows to determine the complex anisotropic behavior of polypropylene matrix composites reinforced with short glass fibers under dynamic loading. The core-skin microstructure induced by the material injection process is investigated experimentally by μCT. The dynamic behavior is characterized for strain rates of up to 200s-1 using an experimental methodology based on the use of a damping joint and specimen optimization. The mechanisms of damage are analyzed experimentally by in situ SEM testing. They highlight the importance of the debonding phenomenon in the damage scenario. Based on these experimental results, the multiscale approach developed consists of an incremental Mori Tanaka method applied to an elastoviscoplastic matrix and coated reinforcements integrating the evolution of damage at the mesoscopic scale. The damage introduced into the coatings disturbs the load transfer between the matrix and the reinforcements. In addition, the strain rate, orientation, and fiber rate dependence of the model are correlated by testing. The virtual testing machine is validated by modeling structures. The developed predictive tool thus takes into account the minimum necessary to describe the microstructure while being reliable and relevant in the modeling of composites under moderate dynamic stress
Modélisation multi-échelle du comportement des composites thermoplastiques recyclés : investigation expérimentale, génération de microstructures, et homogénéisation pilotée par les données
No full textLes composites thermoplastiques recyclés offrent une alternative durable aux matériaux traditionnels, mais leur comportement mécanique reste difficile à prévoir en raison de leur hétérogénéité intrinsèque. Le processus de recyclage introduit une variabilité de la microstructure et des propriétés mécaniques, nécessitant des approches adaptées pour une prédiction précise. Cette thèse développe des outils et méthodologies pour mieux comprendre, prédire le comportement de ces composites. D’abord, des investigations expérimentales montrent comment les paramètres de procédé, comme la taille des fragments, influencent les propriétés microstructurales et mécaniques des composites recyclés à fibres de verre. L’analyse révèle des comportements anisotropes et non linéaires liés à des architectures de fibres distinctes, établissant une base pour des modèles prédictifs reflétant leur hétérogénéité. Ensuite, des modèles constitutifs non linéaires capturent les mécanismes viscoélastiques, viscoplastiques et d’endommagement. Les résultats valident leur capacité à reproduire le comportement sous des chargements complexes. Enfin, l’approche MuTINN (Multiscale Thermodynamics Informed Neural Networks), basée sur les données et les principes thermodynamiques, intègre des variables d’état internes pour modéliser le comportement non linéaire. L'approche permet des prédictions efficaces et précises tout en maintenant l’interprétabilité physique. Son intégration dans un logiciel EF démontre son efficacité pour l’analyse macroscopique et l’optimisation rapide des composites recyclés pour l’industrie.{Recycled thermoplastic composites offer a sustainable alternative to traditional composites, but their mechanical behavior remains difficult to predict due to inherent heterogeneity. The recycling process introduces variability in microstructure and material properties, requiring tailored approaches for accurate performance prediction. This thesis develops tools and methodologies to improve the understanding, prediction, and application of these composites. First, experimental investigations examine how processing parameters, such as chip size, influence the microstructural and mechanical properties of recycled glass fiber composites. The analysis reveals anisotropic and history-dependent behaviors linked to distinct fiber architectures at micro- and meso-scales, forming a foundation for predictive models reflecting their heterogeneity. Second, nonlinear constitutive models are proposed to capture viscoelastic, viscoplastic, and damage mechanisms in the composites. Experimental results validate their ability to replicate energy absorption, damping, and inelastic behaviors under complex loading conditions. Finally, the data-driven MuTINN (Multiscale Thermodynamics Informed Neural Networks) framework improves predictive capabilities for recycled composites. Grounded in thermodynamics, it incorporates internal state variables (ISVs) to model anisotropic and history-dependent behaviors. The approach enables efficient predictions while maintaining physical interpretability. Its integration into FE software demonstrates effective macroscale structural analysis and facilitates the rapid optimization of recycled composites for industrial applications
Operando detection and quantification of damage in the automotive components made of polyamide based composite reinforced with continuous fibres submitted to the fatigue-pre and/or post-impact by advanced ultrasonic techniques
No full textLa détection et la caractérisation des endommagements dans des composantes automobiles fabriquées en matériaux composites restent un souci majeur que les constructeurs automobiles cherchent à confronter. Le projet de thèse s'inscrit dans cette thématique et a comme but l'analyse qualitative et quantitative des endommagements induits par différentes sollicitations dans un composite à matrice polyamide 66/6 renforcé de fibres de verre tissées sergé 2/2. Pour cela, des essais d’impact à faible vitesse à différents niveaux d’énergie, des essais de fatigue en traction-traction ainsi que des essais d’impact post-fatigue, sont réalisés. Une méthodologie expérimentale qui repose sur l'utilisation des méthodes de contrôle non-destructif est établit et a pour but l’évaluation de l’endommagement induit par différents chargements. Différents outils sont utilisés dans cette étude, à savoir : la microscopie optique, la microscopie électronique, la tomographie aux rayons X, les ondes guidées (les ondes de Lamb), l'imagerie C-Scan par propagation des ondes de volumes et d'autres outils ultrasonores. En effet, les mécanismes d’endommagement liés aux multiples sollicitations sont observés et leurs degrés de propagation en fonction du type et du niveau de chargement sont examinés. Les propriétés résiduelles sont estimées par le biais de la vitesse de propagation des ondes de volume. En outre, une investigation basée sur la propagation des ondes de Lamb est menée. A l'issu de cette étude, des indicateurs d'endommagement, permettant de quantifier l'état d'endommagement induit dans chaque échantillon inspecté, sont proposés. Finalement, des essais de traction quasi-statique sont réalisés pour la prédiction des propriétés résiduelles post-chargement.The detection and characterization of damage in automotive components made of composite materials remains a major concern that automotive manufacturers are seeking to address. The aim of this thesis project is to qualitatively and quantitatively analyze the damage induced by different solicitations in a polyamide 66/6 based composite reinforced with 2/2 woven glass fibers intended for automotive applications. For this purpose, low-velocity impact tests at different energy levels, tensile-tensile fatigue tests as well as impact post-fatigue tests are conducted. An experimental methodology relying on the use of non-destructive testing methods (NDT) is established and aims at the assessment of the damage induced by different types of loads. Several tools are used in this study, namely: optical microscopy, X-ray tomography, guided waves (Lamb waves), C-Scan imaging and other ultrasonic tools. The damage mechanisms associated with the multiple loading are observed and their degrees of propagation as a function of the type and level of loading are examined. The stiffness matrix components are estimated by means of the velocity of propagation of the bulk waves. Furthermore, a Lamb waves-based investigation is conducted. By estimating the velocity of propagation of the waves, velocity profiles as a function of the angle of emission/reception are obtained. As a result of this study, several damage indicators are proposed to quantify the damage state induced in each inspected specimen. A good correlation between all experimental results is found indicating the efficiency of the developed Lamb waves-based method. Finally, quasi-static tensile tests are carried out to estimate the post-loading residual properties
Study on the influence of the metallurgical structure on the machinability of the High Strength Steels
No full textDurant la dernière décennie, le développement de nouvelles nuances d'acier à très haute résistance a connu un essor, en particulier dans l’automobile. Les acteurs de ce secteur ont pour objectif de produire des véhicules plus légers, plus performants, plus économes en carburant et garantissant un plus haut niveau de sécurité pour les passagers. De nouvelles nuances ou de nouvelles structures sont apparues sur le marché : plus résistants avec un meilleur compromis résistance/ductilité. Cependant cette élévation des propriétés mécaniques se fait le plus souvent au détriment de l’usinabilité des aciers.Les résultats de travaux antérieurs ont motivé une étude poussée qui porte sur l’influence de la structure métallique sur l’usinabilité des aciers. Le travail compare le comportement d’un aciers bas-carbone obtenue par refroidissement contrôlé à celui d’une nuance conventionnelle à l’état trempé revenue et à l’état bainitique. Les conditions thermomécaniques rencontrées à l’interface outil/copeau lors de l’usinage sont caractérisées par mesure des efforts de coupe et investigation de la morphologie et de la microstructure des copeaux. La durée de vie des outils coupants est quantifiée et les différents modes d’usure sont caractérisés.During the past decade, the automotive industry is increasingly relying on new grades of high strength steels. Companies involved in this sector aim to produce lighter, more effective vehicles that are both fuel-efficient and guarantee a high level of safety for its passengers. New structures have emerged on the market presenting an opportune correlation between high mechanical resistance and ductility. However, this increase in mechanical properties is most often achieved at the expense of the machinability of steels in question.The results of previous works have motivated a detailed study that focuses on the influence of the metallic structure on the machinability of steels. The work compares the behavior of low-carbon steels obtained by controlled cooling with that of a conventional steel in both the quenched and tempered state and the bainitic state. The thermomechanical conditions at the tool / chip interface during cutting are identified by measuring the cutting forces and investigating the chips morphology and microstructure. The cutting-tool life expectancy is quantified and the different modes of insert wear are studied
Damage detection in a PA 66,6/Glass woven fabric composite material using ultrasonic techniques towards durability prediction of automotive parts
No full textCes travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale approfondie d'un composite à base polyamide 66/6 renforcé par des fibres de verres tissés suivant un motif sergé 2/2. L’objectif est de proposer des solutions de Contrôle Non Destructif (CND) basées sur les ultrasons afin de détecter différents niveaux d’endommagement induis. Pour cela, une étude approfondis des mécanismes d’endommagement apparaissant lors de sollicitations en traction suivant l’axe des fibres et hors axes est réalisé. Le cas d’impact induis par poids tombant est également étudiés. En effet, ces différents cas de sollicitions entraînent l’apparition de différent mécanismes d’endommagement. Ces derniers, ainsi que leur ordre d’apparition, sont caractérisés par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et tomographie à rayons X principalement. L’évaluation de la réduction du module élastique pré et post chargement ainsi que la fraction volumique de vide montrent une évolution de l’endommagement plus importante lors de chargement en traction hors axes des fibres que lors de chargement suivant l’axe. Lors des essais d’impact par poids tombant différents niveaux d’énergie sont considérés en restant proche du domaine des BVID en vue d’éprouver la sensibilité des méthodes de CND. Deux méthodes de CND par ultrasons étudiées durant ce projet peuvent être mises en avant. Premièrement, par mesure de la vitesse de propagation des ondes dans plusieurs directions du composites, le tenseur de rigidité est estimé dans tous ces cas de sollicitation mécanique pour différents niveaux d’endommagement. Des indicateurs d’endommagement basés sur ces mesures montrent une évolution de l’état d’endommagement similaire à celle discutée précédemment. Deuxièmement, une étude de la détection de l’endommagement par ondes guidées est menée. Aucun changement des modes transmit n’est visible lors de l’augmentation de l’état d’endommagement. L’évolution de l’énergie du signal transmis est alors proposée et validée comme indicateur d’endommagement efficace pour des chargements en traction mais pas pour l’impact. La mesure du décalage temporel à en revanche permis une localisation et une quantification de l’endommagement induit par impact.The present study is focused on the experimental study of a polyamide 66/6 based composite reinforced by a 2/2 twill weave glass fabric. The aim is to propose Non Destructive Evaluation (NDE) methods based on ultrasound that can efficiently distinguish different damage state. In order to do so, an investigation of the damage mechanisms induced by different type of mechanical solicitations. Tension along and off the axis of the fibers was considered as well as the case of drop weight impact. Those solicitations were shown to induce different damage mechanisms. The latter were characterized by means of Scanning Electronic Microscopy (SEM) and X-Ray tomography mostly. The decreasing of the elastic modulus and the void volume fraction evolution were shown to be more significant for the samples loaded in tension off-axis. During the drop weight impact tests, the energies were considered in order to remain close to the Barely Visible Impact Damage (BVID) regime in order to experience the capability of the ultrasound based NDE methods. Two NDE methods investigated during this study deserve to be highlighted. Firstly, the stiffness tensor was estimated by means of phase velocities measurements in different propagation direction. Damage indicators based on results from this method were proposed. They were found to give results similar with the one from the evaluation of damage discussed earlier on. Secondly, a study of the damage detection using guided waves was performed. No mode conversion effect was observed from this investigation. Consequently, the signal energy was proposed as damage indicator and was found to be suitable to detect damage induced by tension but not by impact. The measure of time shift allowed obtaining a localization and evaluation of the damage induced by impact
Model Order Reduction and Artificial Neural Networks Towards a Fast and Accurate Multiscale Simulation of Composite Materials with Periodic Microstructure
No full textWoven reinforced composites are often hindered by challenges in accurately predicting their mechanical behavior. This obstacle primarily stems from the heterogeneous nature of these materials. Consequently, employing multi-scale approaches becomes imperative to ascertain their overall responses under complex loading conditions, incorporating detailed descriptions of microstructure and the constitutive laws governing their components. However, effectively incorporating these methodologies into real-scale applications, particularly within FE² analyses, remains challenging due to the significant computational requirements. This challenge intensifies when numerous direct calculations are necessary for testing various configurations, a critical aspect in optimization, inverse analysis, or real-time simulations. The need for such calculations adds to the computational demands, posing a significant obstacle to integrated into practical applications. To address these issues, while considering the scale effects, this thesis aims to develop efficient numerical tools to achieve accurate and fast predictions of woven composite response. First, we develop virtual twins (multiparametric solution) for real-time prediction of composite response, using non-intrusive Proper Generalized Decomposition (PGD) based methods. This aims at providing an accurate approximation of these high-dimensional problems, that involved several microstructural parameters, with limited dataset. These multiparametric solutions are constructed for both linear and nonlinear behavior including history- and rate-dependent behaviors. Second, we develop an approach based on Artificial Neural Networks (ANNs) to perform a macroscopic surrogate model of composites. This model, referred to as Multiscale Thermodynamics Informed Neural Networks (MuTINN), is founded on thermodynamic principles and introduces specific quantities of interest that serve as internal state variables at the macroscopic level. This captures efficiently the state and evolution laws governing the history-dependent behavior of these composites while retaining the thermodynamic admissibility and the physical interpretability of their overall responses. This approach has successfully associated with FE code, streamlining the application of multiscale FE-MuTINN approach for composite structure computations. The prediction capabilities of the proposed approach are demonstrated across the material scales, exemplified through diverse instances of woven composite structures. These applications account for anisotropic yarn damage and an elastoplastic polymer matrix behavior. This promises a potential solution to alleviate the computational challenges associated with multiscale simulations of large composite structures and paving the way for the development of a hybrid twin solution.Although woven reinforced composites are experiencing rapid growth across various engineering and industrial domains, their widespread adoption is often hindered by challenges in accurately predicting their mechanical behavior. This obstacle primarily stems from the heterogeneous nature of these materials. Consequently, employing multi-scale approaches becomes imperative to predict their overall response under complex loading conditions, incorporating detailed descriptions of microstructure and the constitutive laws governing their components. However, effectively incorporating these methodologies into real-scale applications, particularly within FE² analyses, remains challenging due to the significant computational requirements they entail. This challenge intensifies when numerous direct calculations are necessary for testing various configurations, a critical aspect in optimization, inverse analysis, or real-time simulations. The need for such calculations adds to the computational demands, posing a significant obstacle to integrated into practical applications. To address these issues, while considering the scale effects, this thesis aims to develop efficient numerical tools to achieve accurate and fast predictions of woven composite response. First, we develop virtual twins (multiparametric solution) for real-time prediction of composite response, using non-intrusive Proper Generalized Decomposition (PGD) based methods. This aims at providing an accurate approximation of high-dimensional problems, that involved several microstructural parameters, with limited dataset. These multiparametric solutions are constructed for both linear and nonlinear behavior including history- and rate-dependent behaviors. Second, we develop an approach based on ANN to perform a macroscopic surrogate model of composites. This model, referred to as Multiscale Thermodynamics Informed Neural Networks (MuTINN), is founded on thermodynamic principles and introduces specific quantities of interest that serve as internal state variables at the macroscopic level. This captures efficiently the state and evolution laws governing the history-dependent behavior of these composites while retaining the thermodynamic admissibility and the physical interpretability of their overall responses. This approach has successfully associated with FE code, streamlining the application of multiscale FE-MuTINN approach for composite structure computations. The prediction capabilities of the proposed approach are demonstrated across the material scales, exemplified through diverse instances of woven composite structures. These applications account for anisotropic yarn damage and an elastoplastic polymer matrix behavior. This promises a potential solution to alleviate the computational challenges associated with multiscale simulations of large composite structures and paving the way for the development of a hybrid twin solution
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