Durabilité de composites à matrice thermoplastique sous chargement hygro-mécanique : étude multi-physique et multi-échelle des relations microstructure-propriétés-états mécaniques

par Hassan Obeid

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Frédéric Jacquemin et de Sylvain Freour.

Le président du jury était Xavier Colin.

Le jury était composé de Sylvain Freour, Alexandre Clément.

Les rapporteurs étaient Fodil Meraghni, Yoann Joliff.


  • Résumé

    En raison de leurs excellentes propriétés spécifiques, les matériaux composites à matrice organique sont de plus en plus utilisés dans le secteur des transports. Durant leur vie en service, ces matériaux composites sont souvent soumis à des environnements hygroscopiques agressifs. Dès la phase transitoire du p processus de diffusion, l’absorption d’eau engendre des variations dimensionnelles ainsi que la plastification du réseau polymère, ce qui modifie son comportement mécanique. Ce travail est dédié à la caractérisation expérimentale des lois de comportement hygro-mécaniques des matériaux étudiés au cours d’un vieillissement humide. Des méthodes d’analyse numérique permettent d’identifier l’évolution de certaines propriétés matériaux dans la phase transitoire du processus. Parmi ces propriétés, une attention particulière est portée au coefficient de gonflement hygroscopique et au module de traction. Afin de simuler les observations expérimentales, on a mis en place un modèle multi-physique et multi-échelle tenant compte, non seulement du gonflement hygroscopique local au cours de la p hase transitoire de diffusion de l’humidité, mais aussi de la diminution du module élastique. Par ailleurs, les modèles hygro-mécaniques proposés sont étendus au cadre stochastique afin de considérer les incertitudes expérimentales. Les modèles sont implémentés dans le code éléments finis Abaqus® afin de réaliser des simulations numériques prédisant les champs de teneur en eau ainsi que les états mécaniques internes. L’approche proposée est validée sur la base des résultats expérimentaux et plusieurs études numériques sur le polyamide seul ou sur des composites sont présentées.

  • Titre traduit

    Durabilty of thermoplastic matrix composites under hygro-mechanical loading : multiscale and multi-physics analysis of microstructure/properties/mechanical states relationships


  • Résumé

    Due to their excellent specific properties, composite materials with organic matrix are increasingly used in transport industry. During their lifetime, these materials can be subjected to aggressive hygroscopic environments. The moisture especially induces the plasticization of the polymer network, which affects its mechanical behavior, as well as dimensional changes occurring during the diffusion process. The purpose of this work is to experimentally characterize the hygro-mechanical behavior of the studied materials during aging under relative humidity conditions. Numerical analysis methods are implemented in order to identify the evolution of material properties during the transient stage of the process. Among these quantities, the present work consists in characterizing the hygroscopic expansion coefficient and the tensile modulus. It will be established that, in order to appropriately reproduce the experimental, it is necessary to develop a multi-physics and multi-scale approach accounting for the local swelling experienced by the polymer during the transient stage of the moisture diffusion process, as well as the decreasing of the elastic modulus. Moreover, some of the proposed hygromechanical models have been extended to the stochastic framework in order to take into account the experimental uncertainties. The proposed models are implemented in the finite element software Abaqus® enabling to perform numerical simulations leading to predictions of the moisture fields and the internal mechanical states. The proposed approach has been validated with the experimental data and several numerical studies involving neat polyamide resin and composites are proposed.


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