Résumé :
Les stratifiés composites exposés à haute température subissent une dégradation induite principalement par la thermo-oxydation de la matrice. Ce phénomène superficiel induit une perte de masse et provoque une modification du comportement mécanique. Le vieillissement thermique des polymères est un phénomène lent se produisant essentiellement sur des éléments de structures prévus pour travailler sous chargement mécanique, tout en étant soumis à des températures élevées, sur des durées importantes. À de telles températures, (importantes, relativement à la température de transition vitreuse de la matrice) les matériaux composites présentent également un comportement mécanique non linéaire (de nature visco-élastique).
Le présent travail est dédié, dans un premier temps, à l’étude du comportement mécanique de structures composites à matrice polymère renforcées par des fibres de carbone, ayant été soumises à un phénomène de vieillissement thermique. Une analyse multi-échelle des conséquences de l’oxydation des matrices époxy sur les propriétés mécaniques intrinsèques du pli composite externe, d’une part, et sur les états mécaniques internes de la structure composite en fonction du chargement mécanique considéré d’autre part, est réalisée.
Dans un second temps, afin d’analyser la réponse de structures composites soumises à des sollicitations en fluage à haute température, des modèles de transition d’échelle de type viscoélastique sont mis en œuvre. La comparaison entre le modèle numérique de Kröner-Eshelby et le modèle analytique de Mori-Tanaka a montré une bonne concordance entre les résultats obtenus, d’autant plus que le gain de temps réalisé par le modèle analytique est significatif par rapport au modèle numérique.
Ceci ouvre de vastes perspectives de développements ultérieurs dans le domaine de la simulation numérique par des approches multi-échelles.
Abstract:
The composite lamina exposed at high temperature undergoes a degradation induced mainly by the thermo-oxidation of matrix. This surface phenomenon induced a mass loss and causes a modification of mechanical behavior. The thermal ageing of polymers is a lengthy phenomenon occurring primarily on elements of structures designed to work under mechanical loading, while being subjected at high temperatures, over important durations. To such temperatures, (relatively higher of glass transition temperature of matrix) the composite materials also present a nonlinear (visco-elastic) mechanical behavior.
This work is dedicated, firstly to the study of the mechanical behavior of polymer matrix composite reinforced with carbon fiber, which have subjected to a thermal ageing. A multi-scale analysis of the consequences of the oxidation of epoxy matrices on the intrinsic mechanical properties of the external composite ply, on the one hand, and on the internal mechanical states experienced by the structure as a function of the considered mechanical load, on the other hand, is carried out.
Secondly, in order to analyse the response of composite structures subjected to a creep at high temperature, visco-elastic scale transition models are implemented. The comparison between the numerical model of Kröner-Eshelby and the analytical model of Mori-Tanaka showed a good agreement, more especially as the time gain carried out by the analytical model is significant compared to the numeric model. This opens vast developmental perspectives in the numerical simulation field by multi-scales approaches.
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