Caractérisation et modélisation des réseaux de fissures pour la prédiction de la perméabilité des réservoirs composites stratifiés sans liner

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

• Auteur / Autrice : Hortense Laeuffer
• Direction : Nicolas Perry, Jean-Christophe Wahl, Christophe Bois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2017
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Vidal-Sallé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Perry, Jean-Christophe Wahl, Christophe Bois, Laurent Orgéas, Cédric Huchette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Federica Daghia, Marco Gigliotti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Composites

Mots clés libres

Composites stratifiés

Endommagement

Fissuration transverse

Perméabilité

Réservoir

Chemin de fuite

Laminated composite

Damage

Transverse cracking

Permeability

Pressure vessel

Leak path

Résumé

La conception de réservoirs composites sans liner pour les lanceurs spatiaux nécessite d’étudier la relation entre endommagement et perméabilité dans les matériaux composites stratifiés pour proposer des solutions répondant à la fois aux critères fonctionnels de résistance et de taux de fuite. L’objectif de cette étude est de fournir une description pertinente de l’évolution de l’endommagement à l’échelle mésoscopique (i.e. à l’échelle du pli) et des réseaux de fissures en résultant afin de prédire l’apparition de fuites à travers les composites stratifiés. Pour ce faire, la démarche mise en œuvre combine modélisation de l’évolution de l’endommagement et essais mécaniques et de perméabilité. Dans un premier temps, des procédures expérimentales spécifiques s’appuyant sur des observations par microscopie optique et par microtomographie sous chargement de traction sont proposées pour caractériser les interactions et l’agencement entre les endommagements des différents plis en termes de seuil de fissuration, de longueur et de position relative des fissures mésoscopiques. Ensuite, pour caractériser la percolation des fissures qui transforme des réseaux de fissures en chemins de fuite, une méthode de mesure de la perméabilité et deux dispositifs expérimentaux sont proposés pour réaliser des mesures de perméabilité sur des tubes sous chargement mono-axial d’une part et bi-axial proportionnel ou non d’autre part. Pour les deux chapitres expérimentaux, des résultats obtenus pour différents stratifiés carbone époxy mis en œuvre par placement de fibres automatisé sont présentés. Enfin, un modèle d’endommagement multi-échelles basé sur les énergies de fissurations est introduit pour décrire les cinétiques des endommagements mésoscopiques, et des pistes de réflexion pour le développement d’un méso-modèle de prédiction des densités de points de fuite sont données.

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.