Vers une conception optimale des réservoirs composites sans liner pour le stockage cryogénique

Towards an optimal design of linerless composite tanks for cryogenic storage

• Auteur / Autrice : Jean Vereecke
• Direction : Christophe Bois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 15/03/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Touchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Doitrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Laurin, Emmanuel Baranger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie spatiale

Cryotechnique

Modélisation prédictive

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Perméabilité

Composites

Mots clés libres

Composites

Perméabilité

Endommagement

Modélisation

Cryogénie

Spatial

Composites

Permeability

Damage

Modeling

Cryogenic

Space application

Résumé

Dans un contexte de réduction de masse et de coûts des lanceurs spatiaux, la conception de réservoirs composites sans liner représente un enjeu technologique. Leur rapport masse/performance en fait un matériau à fort potentiel dans l'industrie aérospatiale mais leur perméabilité constitue un facteur limitant. En effet, la pressurisation du réservoir et les températures cryogéniques des ergols génèrent des endommagements microscopiques qui coalescent et peuvent former des chemins de fuite. Il existe donc une relation forte entre l’endommagement du stratifié composite et sa perméabilité.Une stratégie de développement d’un modèle prédictif de perméabilité est proposée. Elle repose sur un dialogue entre la caractérisation du comportement élastique-endommageable du pli et la simulation réalisée à partir de la mécanique de la rupture incrémentale (ou Finite Fracture Mechanics – FFM). L’approche est validée expérimentalement puis, par le biais d'une méthode d'homogénéisation, le modèle est transposé à l’échelle supérieure, adaptée cette fois à une utilisation en bureau d’études. Il permet d'évaluer l'état d'endommagement de chaque pli en fonction du chargement thermomécanique. Enfin, la confrontation expérimentale du modèle nous permet d’identifier les paramètres clés pilotant la perméabilité et d’établir le domaine de validité des prédictions.

In a context of mass and cost reduction for space launch vehicles, the design of linerless composite tanks constitutes a technological challenge. Their mass-to-performance ratio makes them a high potential material in the aerospace industry, but their permeability is a limiting factor. Indeed, tank pressurization and cryogenic propellant temperatures generate microscopic damage that can coalesce and form leak paths. Therefore, there is a strong relationship between damage to the composite laminate and its permeability.A strategy for developing a permeability prediction model is proposed. It is based on a dialogue between characterization of the elastic-damage behavior of the ply and simulation based on Finite Fracture Mechanics (FFM). The approach is validated experimentally and then, through homogenization methods, the model is transposed to a larger scale, adapted this time for use in an industrial context. This enables the damage state of each ply to be assessed as a function of thermomechanical loading. Finally, experimental comparison of the model enables us to identify the key parameters driving permeability and establish the validity range of predictions.