Etude expérimentale et numérique de la durabilité d'un composite pultrudé innovant pour application ferroviaire

Experimental and numerical study of an innovative pultruded composite durability for railway applications

• Auteur / Autrice : Hussein Chebbo
• Direction : Patrick Ienny, Didier Perrin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Inscription en doctorat le 28/11/2022
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Durabilité des éco-matériaux et des structures (DMS)

Mots clés

Mots clés libres

Durabilité

Éco-composite à matrice thermoplastique

Couplages multiphysiques

Conditions de service réalistes

Détérioration des propriétés mécaniques

Durability

Thermoplastic matrix eco-composite

Multiphysical couplings

Realistic service conditions

Deterioration of mechanical properties

Résumé

Le travail de thèse a pour objectif la caractérisation et la modélisation numérique de la durabilité des matériaux composites mis en oeuvre dans le cadre du projet INFRAlight. Ces composites, fabriqués par pultrusion par des partenaires du projet, seront composés à près de 80 % en volume de fibres continues en faisant un matériau fortement anisotrope. Les données obtenues dans le cadre de ces travaux de thèse permettront à d'autres partenaires de dimensionner le rail de manière à ce qu'il puisse concurrencer, sur le plan de la tenue mécanique mais également sur les aspects technico-économiques, des rails en acier dont la durée de vie actuelle est d'environ 20 ans. La première partie de la thèse consistera à identifier des conditions de vieillissement accélérées à imposer aux composites de manière à ce qu'elles soient les plus représentatives possibles d'un vieillissement naturel de plusieurs années. Il est aussi reconnu que ces essais accélérés peuvent avoir tendance à provoquer l'apparition de nouveaux modes de dégradation du fait de couplages multiphysiques forts. Il convient donc de choisir avec discernement ces conditions pour réaliser une campagne d'essais rapide, mais sans pour autant faire apparaître des modes d'endommagement irréalistes. La mise au point et la réalisation des essais de durabilité sont deux étapes cruciales du projet de thèse. Il s'agira en effet de définir les essais à réaliser afin de caractériser les cinétiques associées aux vieillissements appliqués (i.e. : diffusion hydrique, hydrolyse, photo-oxydation) et leurs thermodépendances en lien avec l'évolution des propriétés mécaniques en lien avec la compréhension des mécanismes de dégradation physico-chimiques associés de ces composites. Des essais de vieillissement couplés devront ensuite être mis au point afin d'évaluer les couplages multiphysiques entre ces différentes cinétiques. Enfin, un modèle mathématique devra être conçu afin de coupler l'ensemble des phénomènes physiques à l'oeuvre durant le vieillissement et agissant sur le comportement mécanique du composite. La campagne expérimentale aura pour but d'alimenter les lois de comportement régissant les différents phénomènes de vieillissement. Il s'agira ensuite d'implémenter ces lois dans un code de calcul permettant de simuler numériquement la durabilité du composite à l'échelle de l'éprouvette puis à celle du rail dans le but de prédire son comportement dans des conditions réelles d'utilisation.

The objective of the thesis work is the characterization and numerical modeling of the durability of composite materials implemented within the framework of the INFRAlight project. These composites, manufactured by pultrusion by project partners, will be composed of nearly 80% by volume of continuous fibers, making a highly anisotropic material. The data obtained within the framework of this thesis work will enable other partners to dimension the rail so that it can compete, in terms of mechanical resistance but also on the technical and economic aspects, with rails in steel whose current life is about 20 years. The first part of the thesis will consist in identifying accelerated aging conditions to be imposed on composites so that they are as representative as possible of natural aging over several years. It is also recognized that these accelerated tests may tend to cause the appearance of new degradation modes due to strong multiphysical couplings. It is therefore necessary to choose these conditions wisely to carry out a rapid test campaign, but without revealing unrealistic damage modes. The development and performance of durability tests are two crucial stages of the thesis project. It will indeed be a question of defining the tests to be carried out in order to characterize the kinetics associated with the aging applied (i.e.: water diffusion, hydrolysis, photo-oxidation) and their thermodependences in connection with the evolution of the mechanical properties in connection with the understanding associated physico-chemical degradation mechanisms of these composites. Coupled aging tests will then have to be developed in order to assess the multiphysical couplings between these different kinetics. Finally, a mathematical model will have to be designed in order to couple all the physical phenomena at work during aging and acting on the mechanical behavior of the composite. The experimental campaign will aim to feed the laws of behavior governing the various aging phenomena. It will then be a question of implementing these laws in a computer code making it possible to numerically simulate the durability of the composite at the scale of the specimen and then at that of the rail in order to predict its behavior in actual conditions of use.