Modélisation multiéchelle du comportement thermo-mécanique des CMO et prise en compte des effets du vieillissement thermique PDF Download
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Author: Anne Schieffer
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Languages : fr
Pages : 289
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Book Description
L'utilisation des Composites à Matrice Organique sur de longues durées, nécessite de prendre en compte les effets du vieillissement qui peuvent considérablement modifier les propriétés mécaniques au cours du temps et réduire la durée de vie. L'objectif de ce travail est de développer un modèle macroscopique utilisable dans le contexte du calcul de structures par Eléments Finis, couplant les différents aspects : viscoélasticité, endommagement et vieillissement thermique. Nous proposons une démarche multiéchelle s'appuyant sur les différentes échelles du composite. Le comportement du pli est obtenu à partir du comportement de ses constituants (fibre et matrice) par la méthode appelée Transformation Fied Analysis. Afin d'analyser les effets du vieillissement thermique, une importante campagne expérimentale a été menée comprenant une caractérisation de type mécanique et physico-chimique. Les effets du vieillissement sont intégrés dans le modèle par l'intermédiaires de variables internes
Author: Anne Schieffer
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Languages : fr
Pages : 289
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L'utilisation des Composites à Matrice Organique sur de longues durées, nécessite de prendre en compte les effets du vieillissement qui peuvent considérablement modifier les propriétés mécaniques au cours du temps et réduire la durée de vie. L'objectif de ce travail est de développer un modèle macroscopique utilisable dans le contexte du calcul de structures par Eléments Finis, couplant les différents aspects : viscoélasticité, endommagement et vieillissement thermique. Nous proposons une démarche multiéchelle s'appuyant sur les différentes échelles du composite. Le comportement du pli est obtenu à partir du comportement de ses constituants (fibre et matrice) par la méthode appelée Transformation Fied Analysis. Afin d'analyser les effets du vieillissement thermique, une importante campagne expérimentale a été menée comprenant une caractérisation de type mécanique et physico-chimique. Les effets du vieillissement sont intégrés dans le modèle par l'intermédiaires de variables internes
Author: Jérôme Kodjo
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Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF2) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux.
Author: Adrien Gillard
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Les composites 3D C/C sont utilisés, entre autres, comme bouclier thermique dans le domaine aérospatial en raison de leurs propriétés thermomécaniques et de leur résistance à l'ablation à haute température. Si leur comportement macroscopique a déjà été largement étudié par le passé, aucun modèle ne permet actuellement de relier de manière satisfaisante le comportement des constituants au comportement effectif du composite. En particulier, les modèles phénoménologiques ne permettent pas d'anticiper l'effet d'un éventuel changement de constituant. De plus, le rôle des interfaces dans le comportement hors-axe du composite reste à déterminer. L'objectif de ce travail est donc d'établir un modèle multi-échelle du comportement thermomécanique d'un 3D C/C en s'intéressant plus particulièrement au rôle des interfaces à haute température. Ce travail s'articule autour de la caractérisation de la morphologie et du comportement thermomécanique du matériau et de ses constituants. Le développement d'un dispositif original de push-out a notamment permis de mesurer les propriétés des interfaces baguette/baguette et fibre/matrice en température. Ces données expérimentales ont été intégrées à un modèle numérique du matériau à l'échelle mésoscopique. Un modèle de zone cohésive ad hoc a été développé afin de prendre en compte le comportement spécifique des interfaces. Les simulations éléments finis ainsi réalisées ont permis de reproduire avec succès le comportement non-linéaire du matériau de même que l'évolution de ses propriétés effectives avec la température. Ce modèle permet ainsi de relier les mécanismes d'endommagement observés aux échelles inférieures au comportement macroscopique du 3D C/C.
Author: Victor Blanc
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Pages : 178
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Author: Manh Tien Tran
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Les matériaux composites TRC (Textile Reinforced Concrete), consistant d'une matrice cimentaire et d'un renforcement par des textile ou fibres (en carbone, en verre ou en autre matière, ...) sont souvent utilisés pour réparer ou/et renforcer les éléments structurels porteurs (dalle, poutre, colonne) d'anciens ouvrages de génie civil. Ils peuvent être également utilisés comme des éléments porteurs dans les structures neuves (éléments de préfabrications). Afin de développer des composites TRC avec de bonnes caractéristiques à température élevée, on a fait une combinaison entre les textiles de carbone qui possède une bonne capacité mécanique et une matrice réfractaire qui assurent une transmission de charge entre le textile de renforcement et les protège thermiquement contre l'action de température élevée. Le comportement thermomécanique des composites TRC de carbone est expérimentalement et numériquement étudié à l'échelle mésoscopique dans cette thèse. L'avancement scientifique sur ce sujet de thèse permettrait d'améliorer la stabilité au feu des structures qui sont renforcées par des matériaux composites TRC. Ce sujet contribuerait aux intérêts sociaux et économiques significatifs pour le génie civil dans le monde entier en général et au Vietnam en particulier. La thèse concerne la caractérisation expérimentale et modélisation numérique du comportement thermomécanique à température élevée des matériaux composites TRC à l'échelle mésoscopique. Dans une première partie expérimentale, les textiles de carbone (des produits commerciaux sur le marché), la matrice du béton réfractaire et l'interface textile/matrice ont été testés au régime thermomécanique à température constante (allant de 25 °C à 700 °C). Les résultats obtenus montrent un effet du traitement du textile sur le comportement et mode de rupture des textiles de carbone et de l'interface textile/matrice. Un modèle analytique a été également utilisé pour déterminer l'évolution des propriétés thermomécaniques des textiles de carbone en fonction de la température. Le transfert thermique dans l'éprouvette cylindrique du béton réfractaire a été réalisé pour valider les propriétés thermiques du béton réfractaire. Tous les résultats obtenus dans cette partie sont utilisés comme données pour le modèle numérique dans la partie de modélisation. La deuxième partie expérimentale explore le comportement thermomécanique des TRCs sous deux régimes : thermomécanique à température constante et thermomécanique à force constante. Deux textiles de carbone, qui ont donné les meilleures performances à température élevée, ont été choisis pour une fabrication des TRCs. Les résultats expérimentaux montrent un comportement thermomécanique avec l'écrouissage (trois ou deux phases) à température modérée et un comportement fragile à température supérieure de 500 °C. Au régime thermomécanique à force constante, deux composites TRCs peuvent résister plus long que les textiles de carbone seuls grâce à bonne isolation thermique de la matrice cimentaire. En comparant les deux résultats sur les éprouvettes de TRC, l'effet du renforcement de textile (le taux de renfort, le produit de traitement, la géométrie du textile) sur le comportement thermomécanique a été analysé. Tous les résultats expérimentaux de cette partie ont été utilisés pour valider et comparer avec ceux obtenus à partir du modèle numérique. La partie de modélisation numérique a deux buts : prédire le comportement thermomécanique global du composite TRC à partir des propriétés thermomécaniques des matériaux constitutifs ; valider le transfert thermique dans le composite en cas d'augmentation de la température pour prédire la température de rupture ou la durée d'exposition du composite [etc...].
Author: Amandine Raude
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Les composites C/C sont utilisés dans les domaines du spatial et de l'aéronautique pour leurs excellentes propriétés thermomécaniques depuis la température ambiante jusqu'aux très hautes températures (> 3000°C). Ces matériaux ont une architecture complexe constituée de nappes de fibres stratifiées et aiguilletées. Leur utilisation en zones fortement sollicitées et à haute température nécessite une maîtrise des propriétés thermiques et mécaniques. Actuellement, la conception du matériau se fait de manière empirique et itérative. Pour l'accélérer, le développement d'un modèle numérique multi-échelle prédictif du comportement du composite C/C est proposé. Ce matériau a tout d'abord été caractérisé morphologiquement à ses différentes échelles caractéristiques, les propriétés thermomécaniques de ses constituants élémentaires ont également été identifiées. A l'échelle microscopique, les fils sont représentés de façon homogène et thermoélastique à partir des taux de constituants qui leurs sont associés. A l'échelle mésoscopique, deux aspects morphologiques semblent prédominants : son architecture ainsi que ses porosités et endommagements. Leur effet sur le comportement effectif du composite C/C est étudié dans le but d'évaluer leur influence relative et d'aboutir à une description suffisamment fine de leurs morphologies dans la modélisation effectuée. Un modèle de matériau idéalisé ainsi qu'un modèle basé images ont été développés. La simulation d'essais macroscopiques a révélé que ces deux aspects avaient un effet non-négligeable sur le comportement effectif du composite C/C et ont permis le développement et la validation d'un modèle prédictif multi-échelle de ce matériau, prenant en compte les caractéristiques précédentes, et permettant le lien entre l'échelle de ses constituants élémentaires et celle macroscopique.
Author: Capucine Billard
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Ce travail porte sur l'étude du comportement thermomécanique des composites Carbone/Carbone 3D (3D C/C), largement utilisés pour des applications aérospatiales et aéronautiques. Le matériau d'étude, employé dans les cols de tuyères de propulsion, est constitué de nappes de fibres carbone stratifiées et aiguilletées dans la direction hors-plan avant d'être densifiées par une matrice en pyrocarbone. Les 3D-C/C sont connus pour leur faible densité et leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques jusqu'à très haute température. La contrepartie de cette performance est leur structure multi-échelle et la nature complexe des relations entre les propriétés macroscopiques et les paramètres d'élaboration.L'objectif est d'apporter une meilleure compréhension du comportement thermomécanique des C/C, tout en tenant compte de la répartition spatiale de ses constituants ainsi que des mécanismes d'endommagement locaux. La démarcheproposée s'articule autour de deux axes.Dans un premier temps, le suivi expérimental du développement d'endommagements au sein du C/C est réalisé à partir d'essais in-situ sous micro-Computed Tomographie (μCT) et microscopie électronique à balayage (MEB) sur des éprouvettes spécifiques de l'ambiante jusqu'à 1000°C. L'application systématique de la corrélation d'images volumiques pour l'analyse de ces essais nous permet de relier le développement progressif des endommagements en fonction du niveau de chargement et de l'architecture textile. D'après les observations in-situ, les principaux endommagements apparaissent aux interfaces à l'échelle mésoscopique, entre plis et aiguilletages.En se basant sur ces analyses, ce travail propose une modélisation éléments-finis (EF) multi-échelle pour simuler le comportement thermomécanique du C/C 3D. Nous nous attardons notamment l'intégration du comportement aux interfaces, simulé à l'aide de zones cohésives combinant endommagement et frottement. À l'échelle mésoscopique, les cellules représentatives sont directement construites à partir des tomographies. La description proposée nous permet de comparer directement les sites endommagés prédits par les simulations EF aux observations expérimentales. Des simulations, prenant en compte ou non le frottement et l'endommagement aux interfaces sont réalisées. Des confrontations essais/calculs sont ensuite proposées, en comparant notamment les sites d'amorçages observés expérimentalement et numériquement. Elles nous permettent de discuter de la pertinence d'intégrer le comportement aux interfaces afin de représenter adéquatement le comportement thermomécanique des composites 3D-C/C.
Author: Jean-Luc Adia
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Dans les structures en béton précontraint, les phénomènes de fluage et de retrait tendent à réduire les efforts de précontrainte initialement prévus pour maintenir le béton dans un état minimisant les forces de traction et donc la fissuration. La compréhension et la prédiction de ces phénomènes par le biais de modèles sont donc primordiales pour la conception et la maintenance à long terme des ouvrages du génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires.L'objectif de cette thèse est d'élaborer un cadre de modélisation micromécanique pour décrire de manière unifiée le retrait et le fluage dans les matériaux cimentaires. Pour cela, l'étude se base sur l'échelle de la microstructure poreuse du gel de C-S-H où les mécanismes intrinsèques de ces déformations différées du béton opèrent. Une approche d'homogénéisation numérique modélisant ces phénomènes dans des microstructures poreuses à morphologies quelconques est développée. Une description explicite du réseau poreux ainsi que de la phase liquide de l'eau pendant les processus de séchage/humidification est prise en compte. Les mécanismes concernant lesdéformations différées dans la phase solide sont modélisés par la théorie de la microprécontrainte-solidification (MPS). Les simulations à l'échelle microscopique sont réalisées par une approche originale couplant la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) et la méthode des éléments finis (FEM). La LBM est utilisée pour décrire la distribution du liquide capillaire à l'échelle du pore,tandis que la FEM est employée pour simuler la déformation du squelette solide sous l'action combinée de l'eau dans l'espace poreux et d'un chargement macroscopique.La démarche proposée permet, au travers des simulations, de mieux comprendre les mécanismes liés à la non saturation et aux effets capillaires dans les milieux poreux. En particulier, la prise en compte de morphologies réalistes de microstructures et des ménisques formés conduit à différents régimes de retrait/gonflement. Ainsi les effets de l'intensité de la pression capillaire,de la tension de surface et des surfaces de chargement sur la réponse élastique du squelette solide sont évalués. Enfin, nous proposons une extension des approches précédentes au cas d'un squelette viscoélastique se déformant sous les effets de la pression capillaire et des tensions de surface. A partir des observations numériques réalisées, nous proposons un modèle pour décrire le fluage et le retrait du gel de C-S-H de manière unifiée.
Author: Hassen Meftah
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Book Description
Dans le domaine automobile, intégrer de plus en plus de matériaux composites recyclés tout en améliorant les performances initiales et en diminuant les masses emportées devient un compromis auquel il faut répondre. Par ailleurs, les pièces de structures en matériaux composites destinées au crash sont souvent soumises à des conditions environnementales, notamment des températures modérément élevées, pouvant produire une dégradation physico-chimique progressive. Ainsi, pour assurer une meilleure conception et une durabilité des pièces, il est primordial de bien cerner l'influence du vieillissement thermique sur les propriétés dynamiques des matériaux. Dans ce but, ce travail vise à coupler la physique de la cinétique de dégradation par oxydation et le comportement mécanique multi-échelles d'un nouveau matériau composite totalement issu du recyclage à renfort carbone et matrice à base polypropylène. Le premier axe de l'étude est dédié à l'élaboration, la caractérisation physicochimique, microstructurale et mécanique de plusieurs formulations de composites. Une fois le composite optimal sélectionné, une méthodologie hybride, expérimentale et numérique, visant à caractériser les propriétés dynamiques rapides allant jusqu'à des vitesses de déformation de 100 s-1 est développée. Le deuxième axe de ce travail est focalisé sur l'étude de l'influence de la thermo-oxydation sur les propriétés physico-chimique et mécaniques à différentes vitesses de sollicitation du composite optimal et sa matrice. L'ensemble des données expérimentales issues du vieillissement a permis l'identification d'un modèle cinétique basé sur un schéma mécanistique de l'oxydation des matériaux vieillis. D'autre part, une étude qualitative et quantitative de l'effet du vieillissement sur les mécanismes d'endommagement a été réalisée à l'échelle microscopique visant à mettre en place une loi d'endommagement reliant, pour une déformation imposée donnée, le taux d'endommagement local à la concentration des produits d'oxydation. Les résultats de cette étude mettent en évidence la possibilité de développer des lois de comportement affectés par les paramètres de modèles cinétiques décrivant l'évolution de l'état physico-chimique du composite au cours du vieillissement.
Author: Anne Schieffer
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Pages : 289
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