L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.

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

LA PRESENTE ETUDE S'INSCRIT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DE LA DURABILITE DE SYSTEMES COMPOSITES A MATRICE POLYMERIQUE SOUS L'EFFET D'ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. SON OBJECTIF EST D'APPORTER UNE CONTRIBUTION A LA COMPREHENSION ET A LA PREVISION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES EN FONCTION DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE DE L'ABSORPTION D'EAU PAR LES MATERIAUX COMPOSITES. ELLE DEBUTE PAR UNE MISE EN EVIDENCE DU PROCESSUS D'ABSORPTION D'EAU PAR DES MESURES REALISEES SUR UNE LONGUE DUREE. UNE DISCUSSION SUR LES MECANISMES DE L'ABSORPTION EST MENEE AFIN DE MIEUX COMPRENDRE LA VARIATION PHYSICO-CHIMIQUE ET LA DEGRADATION MECANIQUE DES MATERIAUX. UNE ANALYSE STATISTIQUE EST EFFECTUEE SUR LES MESURES EXPERIMENTALES. ELLE CONDUIT A UNE PROPOSITION D'UN MODELE DE FICK MODIFIE EN INTEGRANT CERTAINS PARAMETRES STATISTIQUES PERMETTANT DE DECRIRE LES PROCESSUS D'ABSORPTION. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A LA MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES VIEILLIS SOUS ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. UNE APPROCHE EXPERIMENTALE EST D'ABORD UTILISEE, A PARTIR D'ESSAIS MECANIQUES, POUR OBTENIR LES CARACTERISTIQUES ELASTIQUES, LES CONTRAINTES ULTIMES ET LA TENACITE DE DIFFERENTS COMPOSITES NON VIEILLIS ET VIEILLIS, DONEES NECESSAIRES POUR DECRIRE LA DEGRADATION DES MATERIAUX. ENSUITE, APRES AVOIR IDENTIFIE LE PARAMETRE HYGROTHERMIQUE DOMINANT DANS LA VARIATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE - CONTENU DE L'EAU ABSORBEE M, NOUS AVONS ETABLI LES RELATIONS EMPIRIQUES ENTRE CE DERNIER ET LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES STRATIFIES ETUDIES. EN CONCLUSION, UNE APPROCHE ANALYTIQUE PERMET DE PREVOIR LA DEGRADATION D'UN STRATIFIE MULTIDIRECTIONNEL A PARTIR DES CARACTERISTIQUES DES PLIS ELEMENTAIRES, CETTE PREVISION AYANT ETE VERIFIEE PAR DES RESULTATS EXPERIMENTAUX.

LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE SONT UTILISES DANS DES APPLICATIONS STRUCTURALES AERONAUTIQUES. C'EST LE CAS DU MATERIAU ETUDIE, LE COMPOSITE TISSE CARBONE-EPOXYDE G939/M18. LES EXIGENCES DE STABILITE EN SERVICE NECESSITENT UNE CONNAISSANCE FINE DU COMPORTEMENT DU MATERIAU ET NOTAMMENT DE L'INFLUENCE DU VIEILLISSEMENT. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL DE THESE EST DE CARACTERISER ET DE MODELISER LE COMPORTEMENT VISCOELASTIQUE NON-LINEAIRE A COURT ET A LONG TERME DE CE TYPE DE MATERIAUX COMPOSITES. L'ETUDE EST CONSTITUEE DE TROIS PARTIES : - LA PREMIERE EST CONSACREE A L'ETUDE THEORIQUE DU PHENOMENE DE VISCOELASTICITE. DANS UN BUT D'APPLICATION PRATIQUE, ON S'ORIENTE VERS LE DEVELOPPEMENT D'UNE MODELISATION CONSERVANT LA FORME DE L'INTEGRALE DE BOLTZMANN, MAIS MODIFIEE PAR L'INTRODUCTION DE PARAMETRES QUI NON-LINEARISENT L'INFLUENCE DE LA SOLLICITATION. A PARTIR DU MODELE DE SCHAPERY ET DU CHOIX DU CONSERVER SEULEMENT TROIS DES SIX PARAMETRES INITIAUX (DANS LE CAS UNIAXIAL), ON PROPOSE UNE AUTRE ECRITURE. CELLE-CI PERMET D'ETENDRE LE DOMAINE DE VALIDITE DU MODELE INITIAL ; - LA DEUXIEME EST CONSACREE A L'ETUDE EXPERIMENTALE DU MATERIAU. ON REALISE L'ANALYSE STRUCTURALE DU TISSU AVEC L'ETUDE DE L'INFLUENCE DES VIEILLISSEMENTS THERMIQUE ET HYGROTHERMIQUE, A TRAVERS DES ESSAIS VISCOELASTICIMETRIQUES ET GRAVIMETRIQUES. ON REALISE ENSUITE LA CARACTERISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DU MATERIAU A 20, 70 ET 135C, A TRAVERS DES ESSAIS DE TRACTION CYCLEE ET DE FLUAGE-RECOUVRANCE. CE COMPORTEMENT EST VISCOELASTIQUE NON-LINEAIRE EN CISAILLEMENT (A L'ETAT NON-ENDOMMAGE) ; - LA TROISIEME PARTIE CONCERNE L'IDENTIFICATION ET LA VALIDATION DU MODELE PROPOSE. L'IDENTIFICATION EST EFFECTUEE A PARTIR DES ESSAIS DE FLUAGE-RECOUVRANCE. ON VALIDE ENSUITE CETTE IDENTIFICATION ET L'ECRITURE DU MODELE PROPOSEE DANS LE CAS DE TRAJETS DE CHARGEMENT PLUS COMPLEXES : TRACTION CYCLEE ET FLUAGE MULTIPLE. CES ESSAIS MONTRENT L'INTERET D'UNE MODELISATION DE TYPE VISCOELASTIQUE NON-LINEAIRE SEULE, SANS AJOUT DE COMPOSANTE PLASTIQUE OU VISCOPLASTIQUE, DONT LA VALIDITE S'ETABLIT POUR UNE GAMME IMPORTANTE DE TRAJETS DE CHARGEMENT ET DANS UNE LARGE PLAGE DE TEMPS.

En raison de leurs excellentes propriétés spécifiques, les matériaux composites à matrice organique sont de plus en plus utilisés dans le secteur des transports. Durant leur vie en service, ces matériaux composites sont souvent soumis à des environnements hygroscopiques agressifs. Dès la phase transitoire du p processus de diffusion, l'absorption d'eau engendre des variations dimensionnelles ainsi que la plastification du réseau polymère, ce qui modifie son comportement mécanique. Ce travail est dédié à la caractérisation expérimentale des lois de comportement hygro-mécaniques des matériaux étudiés au cours d'un vieillissement humide. Des méthodes d'analyse numérique permettent d'identifier l'évolution de certaines propriétés matériaux dans la phase transitoire du processus. Parmi ces propriétés, une attention particulière est portée au coefficient de gonflement hygroscopique et au module de traction. Afin de simuler les observations expérimentales, on a mis en place un modèle multi-physique et multi-échelle tenant compte, non seulement du gonflement hygroscopique local au cours de la p hase transitoire de diffusion de l'humidité, mais aussi de la diminution du module élastique. Par ailleurs, les modèles hygro-mécaniques proposés sont étendus au cadre stochastique afin de considérer les incertitudes expérimentales. Les modèles sont implémentés dans le code éléments finis Abaqus® afin de réaliser des simulations numériques prédisant les champs de teneur en eau ainsi que les états mécaniques internes. L'approche proposée est validée sur la base des résultats expérimentaux et plusieurs études numériques sur le polyamide seul ou sur des composites sont présentées.