Contribution à l’analyse multi-échelles et multi-physiques du comportement mécanique de matériaux composites à matrice thermoplastique sous températures critiques

The increasing use of thermoplastic-based composite materials in the aeronautical industry requires a better understanding of their mechanical behavior when exposed to radiant heat flux (consequence of a fire exposure). This study, which examines the thermo-mechanical behavior of quasi-isotropic woven laminates composed of PPS reinforced with carbon fibers, is divided into 3 parts. First, the thermal decomposition of the material and the evolution of its mechanical properties with temperature is studied. These data help to understand the behavior of these materials subjected to combined loads (radiant heat flux and tensile or compressive loadings). The last part aims to identify the material parameters necessary for thermo-mechanical simulation at macroscopic and mesoscopic scales.L’utilisation croissante des matériaux composites à matrice thermoplastique dans l’industrie aéronautique passe par une meilleure compréhension de leur comportement mécanique lors d’une exposition à un flux rayonnant (conséquence d’un incendie). Cette étude, portant sur le comportement thermo-mécanique de stratifiés tissés quasi-isotropes composés d’une matrice PPS renforcée par des fibres de carbone, se divise en 3 parties. Tout d’abord, la décomposition thermique du matériau et l’évolution de ses propriétés mécaniques avec la température sont étudiées. Ces données permettent ensuite d’appréhender le comportement de ces matériaux soumis à des chargements combinés (flux rayonnant et chargement mécanique en traction ou en compression, de type monotone à rupture et en fluage). La dernière partie vise à identifier les paramètres matériau nécessaires pour la simulation thermo-mécanique aux échelles macroscopique et mésoscopique

Contribution to the multi-scale and multi-physical analysis of the mechanical behaviour of thermoplastic matrix composite materials under critical temperatures

L’utilisation croissante des matériaux composites à matrice thermoplastique dans l’industrie aéronautique passe par une meilleure compréhension de leur comportement mécanique lors d’une exposition à un flux rayonnant (conséquence d’un incendie). Cette étude, portant sur le comportement thermo-mécanique de stratifiés tissés quasi-isotropes composés d’une matrice PPS renforcée par des fibres de carbone, se divise en 3 parties. Tout d’abord, la décomposition thermique du matériau et l’évolution de ses propriétés mécaniques avec la température sont étudiées. Ces données permettent ensuite d’appréhender le comportement de ces matériaux soumis à des chargements combinés (flux rayonnant et chargement mécanique en traction ou en compression, de type monotone à rupture et en fluage). La dernière partie vise à identifier les paramètres matériau nécessaires pour la simulation thermo-mécanique aux échelles macroscopique et mésoscopique.The increasing use of thermoplastic-based composite materials in the aeronautical industry requires a better understanding of their mechanical behavior when exposed to radiant heat flux (consequence of a fire exposure). This study, which examines the thermo-mechanical behavior of quasi-isotropic woven laminates composed of PPS reinforced with carbon fibers, is divided into 3 parts. First, the thermal decomposition of the material and the evolution of its mechanical properties with temperature is studied. These data help to understand the behavior of these materials subjected to combined loads (radiant heat flux and tensile or compressive loadings). The last part aims to identify the material parameters necessary for thermo-mechanical simulation at macroscopic and mesoscopic scales

Contribution à l’analyse multi-échelles et multi-physiques du comportement mécanique de matériaux composites à matrice thermoplastique sous températures critiques

The increasing use of thermoplastic-based composite materials in the aeronautical industry requires a better understanding of their mechanical behavior when exposed to radiant heat flux (consequence of a fire exposure). This study, which examines the thermo-mechanical behavior of quasi-isotropic woven laminates composed of PPS reinforced with carbon fibers, is divided into 3 parts. First, the thermal decomposition of the material and the evolution of its mechanical properties with temperature is studied. These data help to understand the behavior of these materials subjected to combined loads (radiant heat flux and tensile or compressive loadings). The last part aims to identify the material parameters necessary for thermo-mechanical simulation at macroscopic and mesoscopic scales.L’utilisation croissante des matériaux composites à matrice thermoplastique dans l’industrie aéronautique passe par une meilleure compréhension de leur comportement mécanique lors d’une exposition à un flux rayonnant (conséquence d’un incendie). Cette étude, portant sur le comportement thermo-mécanique de stratifiés tissés quasi-isotropes composés d’une matrice PPS renforcée par des fibres de carbone, se divise en 3 parties. Tout d’abord, la décomposition thermique du matériau et l’évolution de ses propriétés mécaniques avec la température sont étudiées. Ces données permettent ensuite d’appréhender le comportement de ces matériaux soumis à des chargements combinés (flux rayonnant et chargement mécanique en traction ou en compression, de type monotone à rupture et en fluage). La dernière partie vise à identifier les paramètres matériau nécessaires pour la simulation thermo-mécanique aux échelles macroscopique et mésoscopique

Simulation numérique du comportement thermo-mécanique de composites stratifiés tissés carbone PPS sous flux radiant

International audienceUnder critical conditions of use in service, aeronautical structural parts made of polymer matrix composite materials may be subjected simultaneously to heat flows under mechanical load. In this context, this work aims to develop numerical tools to simulate the thermal and mechanical behaviours of laminates consisting of a polyphenylene sulfide thermoplastic matrix reinforced by carbon wovenfibers subjected to a thermal flow or a combined loading (Thermal flux + mechanical loading). Such modelling requires the consideration of a wide range of phenomena (modification of physical and mechanical properties, thermal decomposition, damage, etc.) and complex boundary conditions (heterogeneous distribution of heat flux density on the sample surface, convection, radiation). The proposed model makes it possible to predict the evolution of the macroscopic stiffness of the laminate over a temperature range up to the melting of the material (about 320°C)Dans des conditions critiques d’utilisation en service, des pièces de structures aéronautiques en matériaux composites à matrice polymère peuvent être soumises simultanément à des flux de chaleur sous charge mécanique. Dans ce contexte, ce travail vise ainsi à développer des outils numériques permettant de simuler les comportements thermique et mécanique de stratifiés à matrice thermoplastique polysulfure de phénylène renforcée par un tissu de fibres de carbone soumis à un flux thermique ou un chargement combiné (flux et chargement mécanique). Une telle modélisation nécessite la prise en compte de très nombreux phénomènes (modification des propriétés physiques et mécaniques, décomposition thermique, endommagement, etc.) et de conditions aux limites complexes (distribution hétérogène de la densité de flux thermique à la surface de l’échantillon, convection, rayonnement). Le modèle de comportement développé permet de prédire l’évolution de la rigidité macroscopique du stratifié sur une gamme de température allant jusqu’à la fusion du matériau (environ 320°C

Simulation numérique du comportement thermo-mécanique de composites stratifiés tissés carbone PPS sous flux radiant

International audienceUnder critical conditions of use in service, aeronautical structural parts made of polymer matrix composite materials may be subjected simultaneously to heat flows under mechanical load. In this context, this work aims to develop numerical tools to simulate the thermal and mechanical behaviours of laminates consisting of a polyphenylene sulfide thermoplastic matrix reinforced by carbon wovenfibers subjected to a thermal flow or a combined loading (Thermal flux + mechanical loading). Such modelling requires the consideration of a wide range of phenomena (modification of physical and mechanical properties, thermal decomposition, damage, etc.) and complex boundary conditions (heterogeneous distribution of heat flux density on the sample surface, convection, radiation). The proposed model makes it possible to predict the evolution of the macroscopic stiffness of the laminate over a temperature range up to the melting of the material (about 320°C)Dans des conditions critiques d’utilisation en service, des pièces de structures aéronautiques en matériaux composites à matrice polymère peuvent être soumises simultanément à des flux de chaleur sous charge mécanique. Dans ce contexte, ce travail vise ainsi à développer des outils numériques permettant de simuler les comportements thermique et mécanique de stratifiés à matrice thermoplastique polysulfure de phénylène renforcée par un tissu de fibres de carbone soumis à un flux thermique ou un chargement combiné (flux et chargement mécanique). Une telle modélisation nécessite la prise en compte de très nombreux phénomènes (modification des propriétés physiques et mécaniques, décomposition thermique, endommagement, etc.) et de conditions aux limites complexes (distribution hétérogène de la densité de flux thermique à la surface de l’échantillon, convection, rayonnement). Le modèle de comportement développé permet de prédire l’évolution de la rigidité macroscopique du stratifié sur une gamme de température allant jusqu’à la fusion du matériau (environ 320°C

Numerical analysis of the thermal decomposition in thermoplastic based laminates under severe temperature conditions

International audienceThis paper presents an experimental and numerical study over the behavior ofthermoplastic matrix laminated composite materials reinforced with a carbon fiber fabricsubjected to mechanical loading at temperatures leading to thermal decomposition of thematrix. During this process, the constitutive elements are progressively transformed intopyrolysis gases. As a result, the material properties and thermomechanical behavior greatly varyalong temperature change and thermal decomposition. The proposed 3D Finite Element modelis capable of capturing the porosity nucleation resulting from the thermal decomposition. Usingan explicit representation of matrix and yarns, the progressive nucleation of elements based onthe temperature distribution, time exposure and a probabilistic law is implemented according toexperimental measurements. The proposed model predicts the evolution of the porosity volumeratio within the material as well as its influence on the mechanical response. Post-mortemmicroscopical observations allow a better understanding of porosity nucleation

Simulation numérique du comportement thermo-mécanique de composites stratifiés tissés carbone PPS sous flux radiant

International audienceUnder critical conditions of use in service, aeronautical structural parts made of polymer matrix composite materials may be subjected simultaneously to heat flows under mechanical load. In this context, this work aims to develop numerical tools to simulate the thermal and mechanical behaviours of laminates consisting of a polyphenylene sulfide thermoplastic matrix reinforced by carbon wovenfibers subjected to a thermal flow or a combined loading (Thermal flux + mechanical loading). Such modelling requires the consideration of a wide range of phenomena (modification of physical and mechanical properties, thermal decomposition, damage, etc.) and complex boundary conditions (heterogeneous distribution of heat flux density on the sample surface, convection, radiation). The proposed model makes it possible to predict the evolution of the macroscopic stiffness of the laminate over a temperature range up to the melting of the material (about 320°C)Dans des conditions critiques d’utilisation en service, des pièces de structures aéronautiques en matériaux composites à matrice polymère peuvent être soumises simultanément à des flux de chaleur sous charge mécanique. Dans ce contexte, ce travail vise ainsi à développer des outils numériques permettant de simuler les comportements thermique et mécanique de stratifiés à matrice thermoplastique polysulfure de phénylène renforcée par un tissu de fibres de carbone soumis à un flux thermique ou un chargement combiné (flux et chargement mécanique). Une telle modélisation nécessite la prise en compte de très nombreux phénomènes (modification des propriétés physiques et mécaniques, décomposition thermique, endommagement, etc.) et de conditions aux limites complexes (distribution hétérogène de la densité de flux thermique à la surface de l’échantillon, convection, rayonnement). Le modèle de comportement développé permet de prédire l’évolution de la rigidité macroscopique du stratifié sur une gamme de température allant jusqu’à la fusion du matériau (environ 320°C

Experiments based analysis of thermal decomposition kinetics model. Case of carbon fibers PolyPhenylene Sulfide composites

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Meso-structure-based thermomechanical modelling of thermoplastic-based laminates subjected to combined mechanical loading and severe thermal gradients

International audienceThis paper presents a numerical modelling methodology to investigate the thermo-mechanics of carbon reinforced thermoplastic-based laminates in the situation of mechanical loading combined to thermal gradients. It concerns in particular the case of thermal irradiation on one face of the laminate, where temperature varies both from point to point of the laminate and through time, and ranges from the ambient to the temperature of matrix decomposition onset. Temperature is the key variable to determine the physical state and the properties of each phase of the composite. Particular attention is therefore paid to identifying the respective material properties according to temperature. The developed numerical model is based on an explicit representation of the yarn-matrix spatial arrangement within a representative volume element of the considered laminate. From this model the influence of the heterogeneous matrix thermal degradation on the macro-scale thermal dependent properties of the composite is discussed. Such a modelling requires the consideration of a wide range of phenomena (modification of physical and mechanical properties) and a comprehensive set of thermal boundary conditions (heterogeneous distribution of heat flux density on the sample surface, convection, radiation). The proposed model provides a very good prediction of the laminate’s stiffness evolution according to temperature up to the onset of thermal decomposition temperature. It further enables to analyze the gradual efforts take up between the plies when a constant mechanical loading is combined to a heat exposure

Study of thermomechanical coupling in carbon fibers woven‐ply reinforced thermoplastic laminates: Tensile behavior under radiant heat flux

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