Caract?risation et mod?lisation des r?seaux de fissures pour la pr?diction de la perm?abilit? des r?servoirs composites stratifi?s sans liner

par Hortense Laeuffer

Thèse de doctorat en M?canique-mat?riaux

Soutenue le 08-12-2017

à Paris, ENSAM , dans le cadre de ?cole doctorale Sciences des m?tiers de l'ing?nieur (Paris) , en partenariat avec Institut de m?canique et d'ing?nierie de Bordeaux (laboratoire) et de Institut de M?canique et d'Ing?nierie de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuelle Vidal-Sall?.

Le jury était composé de Nicolas Perry, Jean-Christophe Wahl, Christophe Bois, Laurent Org?as, C?dric Huchette.

Les rapporteurs étaient Federica Daghia, Marco Gigliotti.


  • Résumé

    La conception de r?servoirs composites sans liner pour les lanceurs spatiaux n?cessite d??tudier la relation entre endommagement et perm?abilit? dans les mat?riaux composites stratifi?s pour proposer des solutions r?pondant ? la fois aux crit?res fonctionnels de r?sistance et de taux de fuite. L?objectif de cette ?tude est de fournir une description pertinente de l??volution de l?endommagement ? l??chelle m?soscopique (i.e. ? l??chelle du pli) et des r?seaux de fissures en r?sultant afin de pr?dire l?apparition de fuites ? travers les composites stratifi?s. Pour ce faire, la d?marche mise en ?uvre combine mod?lisation de l??volution de l?endommagement et essais m?caniques et de perm?abilit?. Dans un premier temps, des proc?dures exp?rimentales sp?cifiques s?appuyant sur des observations par microscopie optique et par microtomographie sous chargement de traction sont propos?es pour caract?riser les interactions et l?agencement entre les endommagements des diff?rents plis en termes de seuil de fissuration, de longueur et de position relative des fissures m?soscopiques. Ensuite, pour caract?riser la percolation des fissures qui transforme des r?seaux de fissures en chemins de fuite, une m?thode de mesure de la perm?abilit? et deux dispositifs exp?rimentaux sont propos?s pour r?aliser des mesures de perm?abilit? sur des tubes sous chargement mono-axial d?une part et bi-axial proportionnel ou non d?autre part. Pour les deux chapitres exp?rimentaux, des r?sultats obtenus pour diff?rents stratifi?s carbone ?poxy mis en ?uvre par placement de fibres automatis? sont pr?sent?s. Enfin, un mod?le d?endommagement multi-?chelles bas? sur les ?nergies de fissurations est introduit pour d?crire les cin?tiques des endommagements m?soscopiques, et des pistes de r?flexion pour le d?veloppement d?un m?so-mod?le de pr?diction des densit?s de points de fuite sont donn?es.

  • Titre traduit

    Characterisation and model of crack networks to predict permeability in linerless composite vessels


  • Résumé

    The design of liner-less composite pressure vessels for spatial launchers requires studying the relation between damage and permeability in laminates in order to offer solutions which fulfill strength and leak rate requirements. This study aims at providing a relevant description of damage growth and the resultant network at the meso-scale for leakage prediction. To do so, damage growth modelling is coupled with mechanical and permeability characterization. Two mains issues are addressed: crack network formation, by characterizing and modeling the growth and organization of cracks, and percolation and its effects on permeability, which is addressed by permeability measurement and leak path quantification. Several experimental methods based on optical microscopy and micro-tomography observations under tensile loading are proposed. These methods aim at evaluating the damage interaction and pattern of different plies in terms of cracking threshold, cracks length and relative location. Besides, two experimental setups are proposed to assess permeability evolution and percolation of cracks in pipes submitted to mono-axial or bi-axial loading. The results obtained for several carbon epoxy laminates manufactured by Automated Fibre Placement (AFP) are presented. At last, a multi-scale damage model based on energy release rates and finite fracture mechanics is introduced and key issues for developing a damage meso-model dedicated to the prediction of leak path density are established.


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