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

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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

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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)

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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

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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)

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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 :

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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

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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)

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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

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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