Ce mémoire présente les travaux de développement d'un outil de simulation numérique du comportement d'un matériau composite textile spécial appelé interlock 3D. Ce tissé composite présente des performances intéressantes de résistance au choc et de tolérance aux dommages. Ces propriétés lui viennent de la présence de torons tissés à travers l'épaisseur. De ce fait, ce matériau peut être une alternative très intéressante aux composites stratifiés conventionnels, qui n'ont que des fibres orientées dans le plan, pour des applications aéronautiques où des éléments sont soumis à des impacts et sujets au délaminage. Ce travail présente une campagne expérimentale qui vise à caractériser le comportement du matériau dans les directions du plan et à travers l'épaisseur. Par la suite des lois de comportement sont développées pour reproduire le comportement dans chaque direction. Mettre en place la mécanique d'endommagement, ainsi que le comportement inélastique ont été les parties les plus complexes. Ce modèle est par la suite implanté dans le logiciel éléments finis ABAQUS/Explicit en utilisant une sous-routine VUMAT. Des simulations du comportement mécanique du matériau sont premièrement réalisées pour valider les prédictions du modèle dans l'ensemble des directions. Ensuite, des essais d'indentation quasi-statique sont effectués et les résultats sont comparés aux prédictions du modèle. Enfin, des simulations dynamiques d'impact sont réalisées sur le composite tissé en utilisant des projectiles rigides et mous ainsi que différentes configurations. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux montrent la bonne capacité du modèle à reproduire le comportement du matériau lors de l'impact avec un projectile rigide à faible vitesse. Les hautes énergies d'impact traduisent des lacunes dans la mécanique d'endommagement proche de la rupture. Les résultats d'impact avec un projectile mou à faible vitesse sont encourageants et montrent l'aptitude du modèle à fournir une estimation correcte de la force d'impact, bien que surestimée dans certaines configurations.

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...].

Advanced Structural Textile Composites Forming: Characterization, Modeling, and Simulation comprehensively describes the influence of fiber/fabric architectures and properties on composites forming, along with their deformability and structural optimization, covering the latest advances in the composites forming field. Part one reviews textile reinforcement architectures and discusses the forming behaviors of important 2D and 3D fabrics. Part two discusses numerical models to conduct simulation analysis of different structural composites forming at mesoscopic and macroscopic scales, in particular, 3D preforms with through-the-thickness yarns. Part three looks at the latest developments in the relationship between forming and other steps in composite manufacturing, such as resin injection, and automated fiber placement (AFP) and the effects on certain mechanical properties, such as structural damage and impact resistance. The book will be an essential reference for academic researchers, industrial engineers and materials scientists working with the manufacture and design of fiber-reinforced composite materials. - Describes the influence of the fiber/fabric architectures and properties on composites forming, along with their deformability and structural optimization - Provides numerical modeling and simulation of different fiber-reinforced composites forming at mesoscopic and macroscopic scales, in particular, reinforcements with discontinue fibers, and 3D preforms with through-the-thickness yarns - Discusses cutting edge topics such as resin injection, and automated fiber placement (AFP) and the effects of forming results on mechanical properties such as structural damage and impact resistances

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.

CE TRAVAIL CONSTITUE UNE CONTRIBUTION A LA SIMULATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE EN GRANDES TRANSFORMATIONS, EN STATIQUE ET DYNAMIQUE AVEC UNE ETUDE D'UNE NOUVELLE FORMULATION D'ELEMENTS POUTRES. DANS UN PREMIER TEMPS, NOUS PRESENTONS UNE MODELISATION INTEGRANT UNE CINEMATIQUE DITE HIGHER ORDER MODEL. CELLE-CI PERMET DE DECRIRE LE COMPORTEMENT DES MATERIAUX COMPOSITES ET MULTICOUCHES EN RESPECTANT LES CONTINUITES DES CONTRAINTES DE SCISSION DANS L'EPAISSEUR. LA VALIDATION SUR DES TESTS BIBLIOGRAPHIQUES ET EXPERIMENTAUX A PERMIS DE POSER LES LIMITES DU MODELE EN PETITES DEFORMATIONS. C'EST POURQUOI, NOUS NOUS SOMMES ORIENTES VERS UNE CINEMATIQUE DE GRANDES TRANSFORMATIONS. NOUS AVONS DEVELOPPE UNE NOUVELLE FORMULATION POUTRE PRENANT EN COMPTE CET ASPECT. LA TECHNIQUE UTILISEE EST INSPIREE DES ELEMENTS COQUES SFE. UNE VALIDATION EN FLEXION, TORSION ET ENCASTREMENT, EFFECTUEE PAR RAPPORT A DES CAS THEORIQUES EN PETITES TRANSFORMATIONS ET PAR RAPPORT A UN MODELE 3D POUR LES GRANDES TRANSFORMATIONS, A MONTRE LE BON COMPORTEMENT GLOBAL DES ELEMENTS POUTRES SEULS. DANS LE CAS DE L'UTILISATION DE CES ELEMENTS EN TANT QUE RENFORT LES RESULTATS SONT AUSSI CONCLUANTS. PAR LA SUITE, AFIN D'EXPLORER LES ASPECTS LOI DE COMPORTEMENT, NOUS AVONS ETUDIE LA VISCOELASTICITE DES MATERIAUX COMPOSITES. UNE PREMIERE ETUDE BASEE SUR LA CARACTERISATION DES PARAMETRES NECESSAIRES A PLUSIEURS MODELES NUMERIQUES A MONTRE LA COMPLEXITE DE MISE EN UVRE DE TELLES MODELES ET LA DIFFICULTE D'EXTENSION A UNE MODELISATION 3D. LES NOTIONS TEMPORELLES ETANT INTRODUITES PRECEDEMMENT, IL NOUS A SEMBLE IMPORTANT D'EXPLORER LES ASPECTS TRANSITOIRE ET DYNAMIQUE. UNE METHODE DE RESOLUTION DE CE TYPE DE PROBLEMES, LA METHODE DE NEWMARK A ETE MISE EN PLACE. LES TESTS DE VALIDATIONS SUR DES PIECES INDUSTRIELLES ONT MONTRE DES RESULTATS SATISFAISANTS

Ces dernières années, les matériaux composites à matrices minérales ont suscité un grand intérêt dans le domaine du génie civil, en raison de leurs multiples avantages tels que la grande résistance en traction, le comportement pseudo-ductile, la facilité de mise en oeuvre, la nontoxicité et la compatibilité aux substrats. Toutefois, l'efficacité de ces composites est souvent limitée du fait de la faible adhérence du renfort avec la matrice. Cela est du à la faible pénétration des particules de la matrice entre les filaments internes du fil, ce qui entraine une rupture prématurée du matériau. Ce travail a pour but d'améliorer l'adhérence fil-matrice par pré-imprégnation du renfort, afin d'optimiser le comportement mécanique des composites. Deux méthodes de pré-imprégnation ont été utilisées : pré-imprégnation classique par voie humide et pré-imprégnation par voie sèche. Cette dernière se base sur l'application d'un champ électrostatique alternatif permettant la pénétration de la poudre au sein du renfort. La première méthode a déjà été utilisée dans la littérature et a permis d'améliorer les propriétés mécaniques du composite. Cependant, son utilisation reste limitée aux éléments préfabriqués simples contrairement à la deuxième méthode qui peut être appliquée pour réaliser des éléments de construction de grande taille, ou bien pour le renforcement et la réparation des structures in situ. La présente étude s'appuie sur une analyse multi-échelles permettant d'aborder le problème d'adhérence à l'échelle d'interface (fil-matrice) et à l'échelle du composite (fil-matrice et textile-matrice). Tout d'abord, des essais d'arrachement ont été conduits sur des fils de verre enrobés dans une matrice ettringitique. Huit configurations ont été étudiées afin d'évaluer l'effet du processus de pré-imprégnation et le type des matériaux de pré-imprégnation à sec. Il en sort que le comportement d'arrachement est amélioré par pré-imprégnation du fil par voie humide et sèche mais, précisons que par voie sèche, l'amélioration est significative seulement dans le cas d'utilisation de poudre de particules très fines. Une modélisation numérique de l'essai d'arrachement a été également réalisée afin d'identifier les propriétés d'interface fil-matrice. En se basant sur ces résultats, une étude expérimentale et numérique du comportement en traction des composites fil-matrice a été ensuite réalisée. Cinq configurations ont été retenues, après avoir écarté les prétraitements de fil ayant eu un effet néfaste sur l'adhérence fil-matrice. Il s'est avéré que les deux procédés contribuent à une augmentation significative des propriétés mécaniques du composite. De plus, un modèle numérique 3D a été développé pour simuler l'essai de traction d'un composite sec et pré-imprégné. Il a permis d'une part de prédire le comportement global du matériau et d'autre part d'apporter une meilleure compréhension de ce comportement grâce à l'analyse des états de déformation et de contrainte au niveau du fil, de la matrice et de l'interface. Enfin, une comparaison de l'effet des deux procédés de pré-imprégnation a été établie à l'échelle du composite textile-matrice au moyen d'essais de traction et d'analyse de corrélation d'image. Cinq différents types de tissu de verre unidirectionnel ont été utilisés. La pré-imprégnation par voie sèche a démontré la plus forte amélioration des performances du composite quel que soit le grammage du tissu, contrairement à la pré-imprégnation par voie humide qui trouve sa limite quand le textile devient dense.

Ce travail présente une analyse du comportement dynamique des composites stratifiés et sandwichs. Une étude détaillée est d'abord menée pour caractériser le comportement mécanique en statique et en fatigue de ces matériaux. Ensuite une analyse approfondie est mise en place pour identifier l'amortissement et les propriétés dynamiques des différents matériauX. Les résultats expérimentaux sont comparés à ceux obtenus par une modélisation combinée à une analyse par éléments finis basée sur la théorie des stratifiés avec cisaillement transverse. Une étude paramétrique est menee sur les matériaux sandwichs, permettant de mettre en évidence comment il est possible d'optimiser l'amortissement de ces matériaux en faisant varier divers paramètres. Enfin la modélisation est appliquée à l'analyse de l'amortissement d'une structure de géométrie simple constituée de différents matériaux. Les réponses en fréquence obtenues à partir de la modélisation sont comparées à celles obtenu par l'analyse expérimentale.