Ecole Nationale Supérieure d`Arts et Métier

Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métier- DEMANDE DE 1ère INSCRIPTION ...
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Titre actuel de la thèse :
Analyse et modélisation des mécanismes d'endommagement et de déformation en fatigue multiaxiale
de matériaux composites : polyamide renforcé par des fibres courtes.
Résumé du projet de thèse:
La prédiction du comportement en fatigue de structures en thermoplastiques renforcés (TPR) est une
problématique encore largement ouverte et les approches de modélisation sont fortement en développement. Sous
sollicitations cycliques, le comportement mécanique, l'endommagement puis la rupture du matériau et de la structure en
TPR dépendent très fortement de :
1.
2.
3.
Phénomènes complexes à l'échelle micro : processus de localisation de la déformation, mécanismes locaux
d’endommagement (amorçage, propagation de microfissures, de l’interface fibre-matrice) et enfin l’évolution
microstructurale du polymère.
L’effet du trajet de chargement : contrainte moyenne, effet d’entaille (taux de triaxialité des contraintes), niveau
d’amplitude, chargement à amplitude variable, spectre de chargement aléatoire …
La variabilité de la microstructure induite par le procédé de mise en œuvre : effet de l’orientation des renforts
générée par l’injection, évolution de l’anisotropie due aux mécanismes d’endommagement et de déformation
ainsi que de la variation spatiale du comportement de la matrice ou de son taux de cristallinité (cœur et peau de
la structure).
Les effets couplés des trois points précédents n’ont pas été étudiés dans la littérature ouverte et encore moins intégrés
dans des modèles de prédiction de la tenue en fatigue de composites TPR. De façon non exhaustive, les travaux publiés
récemment sur les polyamides renforcés abordent la problématique de la fatigue des TPR soit à travers le comportement
en viscoplasticité cyclique ou bien au moyen d’une approche phénoménologique de l’endommagement. Plusieurs verrous
scientifiques restent posés. En effet, quel sera l’impact de la variabilité de la microstructure en fatigue multiaxiale ?
L'identification des mécanismes d'endommagement et de déformation, leur cinétique et la relation à la microstructure
locale sont des problématiques ouvertes à l'heure actuelle. Ce point est particulièrement important dans le cas de
matériaux présentant de forte variabilité de la microstructure.
Le présent travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet DURAFIP (financement FUI-DGSIS, 2012-2016) en
collaboration industrielle avec Rhodia et PSA. L’objectif principal est la formulation d’une modélisation, à fort contenu
physique, du comportement cyclique couplé à l’endommagement anisotrope en fatigue multiaxiale. Le modèle est
alimenté par la caractérisation multiéchelles du comportement viscoéolastique et des mécanismes d'endommagement à
l'échelle micro sous chargement cyclique multiaxial.
La modélisation que nous proposons est d’inspiration auto-cohérente formulée à travers le modèle de Mori et Tanaka
généralisé à l’endommagement anisotrope. Le modèle s’appuie sur une description fine de la microstructure en
particulier, la distribution d’orientation, la distribution d’élancement, la fraction volumique de fibres obtenues en tâche 1.
Il devra prendre en compte également le comportement mécanique de chaque phase notamment le comportement
viscoélastoplastique du polyamide. Des essais de fatigue seront menés sur le thermoplastique seul afin d’identifier la loi
de comportement de la matrice. L’endommagement est intégré dans le modèle à travers des critères locaux
d’endommagement et des lois d’évolution identifiés. Ces critères devront décrire l’évolution des décohésions d’interface,
le grossissement des cavités dans la matrice et la rupture de renforts en fatigue. Les techniques d’homogénéisation
permettent alors d’obtenir les propriétés macroscopiques (modules tangents) couplant viscoplasticité et endommagement
: viscoendommagement.
Les résultats de l’investigation expérimentale fondée les techniques de mesure de champs, MEB et microtomographie X
seront exploités pour identifier des critères locaux d’endommagement en fatigue. Ces critères intègrent l’évolution du
nombre de microcavités et/ou de microfissures en fonction de l’état de contrainte local et du taux de triaxialité des
contraintes calculé par le modèle de transition d’échelles. Les critères locaux d’endommagement identifiés à l’échelle
micro seront validés à l’échelle macro au moyen d’essais de fatigue uniaxiale puis en chargement multiaxial. Les moyens
d’essais présents à l’ENSAM permettront de réaliser des essais de fatigue en trajets de chargement proportionnel ou non
proportionnel : bitraction, traction-compression, traction-torsion et compression-compression. Il est alors possible
d’obtenir, par simulation, la surface de charge multiaxiale d’iso-endommagement et l’évolution de cette surface dans
l’espace des contraintes appliquées en fonction du nombre de cycles. Le modèle multiéchelles étant fonction de la
distribution de la microstructure, il sera possible également de simuler d’autres configurations de microstructures issues
de la simulation du procédé d’injection. Le modèle formulé sera implanté dans un code de calcul par éléments finis
(Abaqus).
http://www.adum.fr/script/textes/ensam_1deman.pl?etudiant=&matricule_temp=2009...
21/09/2012