Etude de la relation microstructure/propriétés mécaniques jusqu’à rupture des propergols composites : Caractérisation expérimentale et modélisation micromécanique par éléments finis

par Paul-Aymé Toulemonde

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Julie Diani et de Pierre Gilormini.

Soutenue le 18-11-2016

à Paris, ENSAM , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux [Paris] (laboratoire) et de Procedes et Ingenierie en Mécanique et Matériaux [Paris] (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Baptiste Leblond.

Le jury était composé de Julie Diani, Pierre Gilormini, Michel Bornert.

Les rapporteurs étaient Rafael Estevez, Romain Creac'hcadec.


  • Résumé

    Ce travail de thèse vise à identifier les mécanismes par lesquels la fraction volumique de charges, la distribution de tailles des charges, le comportement mécanique du liant et les propriétés d’adhésion liant/charge des propergols composites influent sur le comportement mécanique jusqu’à rupture de ces matériaux. Des calculs de microstructures 2D par éléments finis sont mis en œuvre pour caractériser qualitativement l’évolution de la microstructure du composite au cours d’une sollicitation de traction uniaxiale à faible vitesse de déformation. Ils prennent notamment en compte un modèle de zone cohésive pour représenter la décohésion à l’interface liant/charge et un critère original de ruine de la microstructure. Les résultats numériques sont favorablement comparés aux tendances obtenues expérimentalement sur propergols composites industriels et modèles. Par ailleurs, une validation de l’approche qualitative précédente est conduite en effectuant une confrontation quantitative du comportement mécanique et de la variation volumique d’un composite modèle, obtenus par simulation de microstructures 3D et par caractérisations expérimentales. Enfin, la tenue du propergol dans un assemblage propergol/lieur soumis à un test de pelage est étudiée expérimentalement.

  • Titre traduit

    Etude de la relation microstructure/propriétés mécaniques jusqu’à rupture des propergols composites : Caractérisation expérimentale et modélisation micromécanique par éléments finis


  • Résumé

    This work aims at understanding the relationship between solid propellants particles volume fraction, particles size distribution, binder mechanical properties and binder/particles bonding with the mechanical behavior up to failure of these materials. Finite elements analyses on 2D microstructures are performed in order to qualitatively characterize the microstructure evolution throughout uniaxial tensile loading at small strain rate. These simulations account for the binder/particles debonding with a cohesive zone model and implement an original failure criterion. Simulation and experimental results are consistent. Besides, a quantitative comparison between simulations on 3D microstructures and experimental data is drawn in order to validate the above qualitative results. It is performed on a model composite and compares both the mechanical behavior and the volume variations. At last, the propellant failure during a peeling test of the liner/propellant structure is studied experimentally.


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