Prédiction des premiers endommagements des composites tissés par modélisation à l'échelle mésoscopique et validation multiéchelle

par Robin Naylor

Projet de thèse en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Emmanuel Baranger.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec LMT - Laboratoire de mécanique et de technologie (laboratoire) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Cachan, Val-de-Marne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 11-05-2015 .


  • Résumé

    Les matériaux composites sont de plus en plus employés dans l'industrie aéronautique, au point d'être aujourd'hui mis en œuvre sur des pièces critiques. Depuis quelques années, le groupe Safran développe un matériau composite tissé 3D innovant, qui est une technologie différenciatrice du groupe Safran. Des projets de recherche précédents ont permis de mettre en place une chaîne de simulation allant de la modélisation de l'arrangement fibreux jusqu'à la simulation de la réponse élastique de la cellule de tissage consolidée. Cette chaîne a permis, d'ores et déjà, l'optimisation des architectures, mais uniquement sur leurs modules élastiques. Cette thèse vise à la prédiction du comportement non-linéaire aux premiers stades de l'endommagement des architectures tissées, par le biais d'une modélisation à l'échelle microscopique et mésoscopique. Le comportement devra donc être déterminé à la fois à l'intérieur du toron mais aussi au bord du toron en prenant en compte son interaction avec les torons voisins et les poches de matrices. Ces dernières sont particulièrement importantes dans le cas de composite tissé 3D où elles entraînent des comportements et des endommagements non présents dans les tissés 2D stratifiés. En parallèle, une analyse expérimentale “multi-échelle” in-situ sera effectuée afin d'identifier et de valider les différents comportements locaux (poche de résine, torons), ainsi que les mécanismes et scénarios de dégradation (décohésion, fissuration) aux échelles microscopique et mésoscopique. Ces travaux numériques et expérimentaux seront appliqués à deux matériaux différents. Premièrement, un satin de 5 carbone/époxy, matériau assez connu dans son ensemble, pour permettre le développement des méthodes numériques et expérimentales ; deuxièmement, un composite tissé 3D pour lequel le comportement et certains endommagements sont encore mal compris.

  • Titre traduit

    Prediction of the first damage in woven composites structure by the establishment of a model at the mesoscopic scale and a multiscale validation


  • Résumé

    Composite materials are increasingly used in the aeronautical industry to the point that they are used nowadays on critical parts. For decades, Safran Group develops a new 3D woven composite material which is a distinct technology from Safran Group. Some previous research projects have made possible the setup of a simulation chain going from the modelling of the fibrous arrangement to the simulation of the elastic response of the consolidated woven cell. This chain has already made possible the optimisation of architectures but only for elastic modulus. This thesis aims at the forecast of the non-linear behaviour of woven architectures at the first stage of damage. This will be achieved by a modelling at the microscopic scale and mesoscopic scale. The behaviour should be determined inside the yarn but also at its boundary with account for the neighbour yarns and matrix pockets. These latest are especially important in 3D woven composite where they imply behaviour and damage inexistent in 2D woven laminate composites. At the same time, a multi-scale in-situ experimental analysis will be held to identify and validate the different local behaviours (matrix pocket, yarns) and the damage mechanisms (decohesion, transverse cracks) at the microscopic and mesoscopic scale. These numerical and experimental works will be applied on two different materials. First on a carbon/epoxy 5HS, a material well known globally, this material will made possible the development of the numerical and experimental methods. Secondary on a 3D woven composite, who has an industrial interest and for which behaviour and some damages are still not well understood.