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CFM, Bordeaux, 26-30 août 201311
Institut P’ • UPR CNRS 3346
Département Physique et Mécanique des MatériauxENSMA • Téléport 21, avenue Clément Ader • BP 40109F86961 FUTUROSCOPE CHASSENEUIL Cedex
Etude de l’influence d’une agression thermique sur les
propriétés mécaniques résiduelles de
matériaux composites
M. ROPITAL, T. ROGAUME, D. HALM, V. ALEMANY MARI
2121èème Congrme Congr èès Frans Fran ççais de Mais de M éécanique canique Bordeaux Bordeaux –– 26 au 30 ao26 au 30 ao ûût 2013t 2013
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Sommaire
Contexte et objectifs de l’étude
Essais d’agression thermique
Essais de caractérisation mécanique
Simulation du comportement mécanique
Bilan
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Enjeux environnementaux
Utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie ?
Crise énergétique
Evolution du prix du pétrole
Contexte et objectifs� Economie hydrogène
� Vulnérabilité des stockages
� Objectifs
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Contexte et objectifs
Une technologie prometteuse :
� réservoir de type IV
� pression nominale : 700 bar
composite bobinéliner polymèreembase métallique
� Economie hydrogène
� Vulnérabilité des stockages
� Objectifs
Nécessité d’estimer la tenue en service :
Exemple : agressions thermiques Endommagement mécanique
Dégradation thermique
couplageModification :
pression éclatement, temps éclatement,…
Normes, réglementations
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Contexte et objectifs� Economie hydrogène
� Vulnérabilité des stockages
� Objectifs
� Estimer l’influence d’une agression thermique sur les propriétés mécaniques
� Déterminer les paramètres pilotant cette détérioration� Relier le comportement mécanique à un état d’endommagement
� Relier les conditions d’agression thermique à un état d’endommagement
Etude préliminaire : découplage thermique / mécanique
Agression thermique (flux, temps, énergie)
Comportement mécanique (rigidité)
Endommagement (simulation)
A terme : couplage thermomécanique
(projet FireComp)
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Cône calorimètreEprouvette testée100 mm
100
mm
Épaisseur 10 mm
Matériau
Pré-imprégné, fibre de carbone, résine époxy
unidirectionnel
Paramètres imposés• Densité d’énergie (entre 6 et 22 MJ/m2)
• Flux incident (entre 15 et 60 kW/m2)
• Temps d’exposition (entre 150 et 800 s)
Essais d’agression thermique
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Essais de caractérisation mécanique
� Dispositif
� Résultats
Prélèvement d’échantillon(sens fibres)
Essai de flexion 3 points
Eprouvette agressée
� Courbe force - déplacement
� Module de flexion
(flux, temps, énergie)
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Essais de caractérisation mécanique
� Dispositif
� Résultats
Comportement à flux constant
Rattrapage de jeu
Eprouvette épaisse : endommagement par délaminage successif
diminution de la rigiditédiminution de la force maximalecourbe plus régulière
� Faibles temps → pas d’inflammation → pas d’endommagement� Temps plus longs :
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Essais de caractérisation mécanique
� Dispositif
� Résultats
Evolution du module de flexion
Pas d’inflammation
Mod
ule
de fl
exio
n ra
ppor
téà
sa v
aleu
r «
neut
re»
� Inflammation nécessaire pour diminuer le module de flexion� Lien direct (tendance linéaire) entre l’endommagement et la densité d’énergie� Même tendance pour la contrainte maximale
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Simulation du comportement mécanique
� Modèle d’endommagement
� Échantillon dégradé
Cadre de construction du modèle d’endommagement méc anique
Mécanique de l’endommagementThermodynamique des processus irréversibles
Séparation des modes d’endommagement, quantifiés par différentes variables internes ρ :
ρfibre
ρinterface
ρintrapli
ρinterpli
Fragile
Progressif
Rupture de fibre
Fissuration matriceDélaminage
Cisaillement
Variables internes ρi
Potentiel thermodynamique w(ε,ρi)
Lois d’évolution dρi(J.P. Berro Ramirez et al., session 12, 29/08, 10h40)
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Simulation du comportement mécanique
� Modèle d’endommagement
� Échantillon dégradé
Observation post-combustion
charbon
composite (sain ?)
d
endommagement total interface, interpli et fibres
composite sain
Hypothèse de modélisation EF
Résultats
fort endommagement
délaminage Configuration d’endommagement
Abattement de rigidité
Densitéd’énergie
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Déplacement (mm)
Forc
e (N
)
Courbe force - déplacement
CFM, Bordeaux, 26-30 août 2013
Bilan
Résultats principaux
� Inflammation nécessaire pour endommager le matériau
� Relation linéaire entre densité d’énergie et abattement de rigidité (= endommagement)
� Agression thermique = endommagement complet de la matrice et des fibres
énergie → épaisseur charbon → endommagement → propriétés résiduelles
Etapes suivantes
� Caractérisation de la cinétique de combustion avec charge mécanique
� Couplage des modèles thermique et mécanique
� Simulation du comportement des réservoirs
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