Multiphysics analyses and modeling for the development of composite structures with embedded electrical wires

par Thibaut Vogel

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Pascal Casari.

Soutenue le 19-12-2017

à Nantes , dans le cadre de Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (2016-2019) (COMUE) et de Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Claude Grandidier.

Le jury était composé de Jean-Christophe Walrick, Caroline Petiot.

Les rapporteurs étaient Franck Lauro, Jean-François Ferrero.

mots clés

• Impact basse énergie
• Couplages multiphysiques
• Structure multifonctionnelle
• Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)
• Composites

Titre traduit

Analyses et modélisations multi-physiques pour le développement de structures composites intégrant des conducteurs électriques

Résumé

A partir de l’étude d’une structure composite multifonctionnelle prédéfinie, cette thèse a pour objectif l’analyse du comportement thermomécanique et des modes d’endommagement d’une structure composite intégrant des conducteurs électriques. Des éprouvettes représentatives sont fabriquées et testées sous différentes conditions mécaniques, thermiques et électriques. L’influence des chargements mécaniques hors-plan, et plus particulièrement d’un impact basse énergie, sur la fonctionnalité électromécanique de la structure est ensuite étudiée. Des mesures de résistance électrique et te tension de claquage sont réalisées afin de déterminer les performances électriques post-impact de la structure. L’échauffement résistif interne des conducteurs, conjugué à l’environnement thermique d’une structure aéronautique nous invite finalement à étudier le comportement thermomécanique de tels assemblages multicouches et multi-matériaux. Nous présentons donc une méthodologie de caractérisation du comportement thermomécanique d’un assemblage sandwich multicouche via l’analyse de ses composants pris séparément et caractérisés par des analyses mécaniques dynamiques (DMA). La contribution majeure de ce travail réside dans la détermination de critères de dégradation électrique, et de dimensionnement, pour le développement de structures composites intégrant des conducteurs électriques.

Résumé

From the study of a particular multifunctional composite structure, this thesis aims at analyzing the thermomechanical behavior and failure modes of a composite structure embedding electrical wires. Representative test specimens embedding flat electrical cables are manufactured and tested under various conditions. The influence of out-of-plane loadings, and especially of low energy impacts on the electro-mechanical functionality of the structure is then investigated with both experimental and numerical considerations. Post impact electrical tests such as resistance measurements and dielectric strength tests are carried out to investigate on the post-impact electrical performances of the structure. Then, resistive heating of the embedded electrical components combined to the thermal environment of an aerospace structure lead us to further investigate on the thermo-mechanical behaviour of such multi-layered multi-materials structures. Hence, a methodology using Dynamic Mechanical Analysis (DMA) testings is developed to characterize both the temperaturedependent stiffness of the constituents, and the resulting thermo-mechanical behaviour of the assembly. The main contribution of this work consists in determining electrical degradation and sizing criteria for the development of robust composite structures embedding electrical wires.