Analyse et modélisation du comportement mécanique d'un composite renforcé de fibres de carbone, soumis à des chargements complexes

par François Rasselet

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Jacques Renard.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) et de Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    L'allègement des structures aéronautiques est aujourd'hui soumis à des contraintes économiques : les matériaux doivent à la fois être plus légers, avoir de bonnes propriétés mécaniques et leurs coûts doivent être réduits. Les matériaux composites à matrice organique renforcée par des fibres courtes de carbone sont de bons candidats pour répondre à ces enjeux. Cependant, le moulage par injection, procédé utilisé pour les transformer, génère une microstructure complexe qui influence leur comportement. Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une démarche visant à identifier, étudier, caractériser et modéliser les différentes échelles du matériau : les constituants, la microstructure et le matériau global, afin de proposer une démarche de modélisation basée sur l'enrichissement local du comportement dans le cas de chargements complexes. La sensibilité de la matrice à la pression hydrostatique est identifiée et modélisée à l'aide d'un critère de Drucker-Prager généralisé. A l'aide de celui du composite, un comportement réversible des fibres est identifié par méthode inverse. Grâce à des observations en tomographie RX en contraste de phase, l'orientation et la longueur des fibres sont mesurées. Le confinement matriciel, responsable du comportement local et macroscopique du matériau, est étudié par le biais d'une méthode de mesure de la distribution de la fraction volumique locale de fibres dans la microstructure. Une démarche de génération et d'identification d'une cellule élémentaire représentative du comportement unidirectionnel et de la morphologie de la microstructure est développée en champs complets. A la même échelle, un modèle d'homogénéisation utilisant un système de motifs morphologiques représentatif est implémentée et permet de constituer la brique unidirectionnelle du comportement du composite en champs moyens. Une procédure d'intégration de l'orientation et des longueurs réelles de fibres est mise en place afin de simuler le comportement homogène équivalent du composite de l'étude. Cette procédure d'homogénéisation originale en deux étapes est calibrée de manière globale et locale à l'aide d'essais virtuels. Enfin, la démarche est vérifiée sur un essai de structure, sollicitant le composite de manière complexes.

  • Titre traduit

    Analysis and modeling of the mechanical behavior of a short carbon fiber reinforced composites submitted to complex loadings


  • Résumé

    Today, the aeronautic structure lightening is subjected to costs considerations: the materials must all at once be lightweight, have good mechanical properties and their cost must remain low. Short carbon fiber reinforced organic matrix composites are good candidates in order to handle those issues. However, the injection molding process used to make that kind of materials induces a complex microstructure which influences the composite behavior. The presented thesis work aim to identify, study, characterize and model the specific scales of the material: the components, the microstructure and the global material in order to propose a modelling approach based on the local enrichment of the composite behavior under complex loadings. The hydrostatic pressure matrix sensitivity is identified and modeled with a Generalized Drucker-Prager plastic criterion. The composite elastic behavior is used to identify one carbon fiber through a reverse engineering method. Thanks to X-ray phase contrast tomography, both the orientation and the length of each fiber are measured. The matrix confinement, responsible for the local and the global composite behavior is investigated by mean of the study of the local fiber volume fraction distribution in the microstructure. A generation and identification approach of a representative volume element of both the unidirectional composite behavior and the microstructure morphology is developed by finite element modeling. At the same scale, a mean field model, based on morphological representative patterns is implemented and allows determining the unidirectional composite behavior. An original mean field procedure with the integration of the real fiber orientations and lengths is suggested and allows simulating the effective composite behavior. This original two-step homogenization procedure is globally and locally calibrated thanks to virtual testing. Finally, this approach is experimentally verified on a structural test, putting a strain on the composite in a complex way.