Caractérisation des structures composites bobinées épaisses, application à l’étude du comportement de réservoirs de stockage d’hydrogène

par Aurélie Pilato

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Nicolas Perry et de Jean-Christophe Wahl.

Le président du jury était Saïd Hariri.

Le jury était composé de Laurent Laguegrand, Eric Martin, Gilles Cassand.

Les rapporteurs étaient Philippe Olivier, Dominique Perreux.


  • Résumé

    Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre du programme H2E (Horizon Hydrogène Énergie) piloté par Air Liquide et en partenariat industriel avec Composites Aquitaine. Le stockage d’hydrogène sous forme gazeuse impose que les réservoirs bobinés en composite carbone/époxy utilisés résistent à des pressions internes en service allant de 350 à 700bar.L’état de l’art montre que le procédé d’enroulement filamentaire et son application à des épaisseurs de matériaux composites importantes peuvent générer des variations, dans l’épaisseur, des contraintes résiduelles d’origine thermique, de la teneur en fibres et en porosités et de l’épaisseur des couches. Ces hétérogénéités peuvent alors être à l’origine de modifications des propriétés mécaniques du composite. Notre travail s’est donc appuyé sur la caractérisation physico-chimique à l’échelle des constituants (mesure de températures, nano-indentation, analyse d’images et microtomographie) ainsi que la caractérisation mécanique à l’échelle de la couche de référence mais également à l’échelle de la structure (essais plans spécifiques sur éprouvettes bobinés et essais hors-plan).Les hétérogénéités de la matière ainsi identifiées sur le réservoir ont été intégrées dans un modèle de calcul analytique permettant d'étudier leurs influences sur sa pression d'éclatement. La conception d'un essai de mise sous pression interne d'un anneau a par ailleurs permis de vérifier le comportement mécanique de la structure réelle.


  • Résumé

    This PhD work was conducted in the H2E (Horizon Hydrogen Energy) program coordinated by Air Liquide and with the industrial partnership of Composites Aquitaine. The hydrogen storage under gaseous form needs the filament-wound carbon/epoxy composite vessels used to resist to service pressures between 350 to 700bar.The influences of the process and of the thickness of the structure on its mechanical behaviour were determined by precise bibliographic work and were supposed to generate thermal residual stresses and also to be responsible of variations in the thickness and fibre content of the plies. These heterogeneities could modify the mechanical properties of the composite material. Our work focuses, first of all, on the physical chemistry characterization at the constituents scale (temperature measurement, nano-indentation, image analysis and microtomography) and then on the mechanical characterization of the reference ply and also of the structure (dedicated tests on filament-wound samples and out-of-plane tests).The material heterogeneities identified on the vessel were integrated in an analytical calculation model to study their influences on its burst pressure. The development of an internal pressure test allows us to verify the global mechanical behaviour of the real structure.


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