Utilisation de la spectrométrie infrarouge pour une quantification rapide du taux d’humidité dans des fibres végétales

International audienceIn the field of composite materials, natural fibres appear to be a viable replacement for glass fibres. However, in humid conditions, strong hydrophilic behavior of such materials can lead to high level of moisture absorption. This feature can result in a structural modification of the fibres and a modification of their own mechanical properties as well as those of the composites they are fitted in. Then, understanding moisture sorption mechanisms in these materials is an important issue for their efficient use. In this work, water absorption on three natural fibres (flax, hemp and sisal) studied qualitatively and quantitatively using non-invasive approach, i.e. Fourier transformed infrared spectroscopy. Fibres with different moisture content were prepared using climatic chambers, allowing strictly controlled hygrothermal ageing. The equilibrium water content were assessed by gravimetric measurement and determined for each relative humidity conditions (Relative humidity ranging from 30 % until 97 %). The principal chemical functions of fibres involved in the water absorption phenomenon were thereby identified and the water content of tested fibres was determined using a Partial Least Square Regression approach. The typical sorption isotherm curves described by Park model were clearly fitted, confirming the validity of our predictive model. Finally, this model has been applied for monitoring the water diffusion.Les fibres végétales sont une alternative possible aux fibres de verre utilisées classiquement comme renforts dans certains matériaux composites. En plus d’avantages environnementaux, leur faible densité leur confère des propriétés mécaniques spécifiques élevées. Cependant, leur comportement hydrophile marqué entraîne une forte absorption d’eau lors d’une utilisation en environnement humide, ce qui peut modifier leurs propriétés mécaniques. La compréhension de ces mécanismes d’absorption d’humidité est donc indispensable à leur maîtrise. Dans ce travail, l’absorption d’eau a été étudiée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier sur des fibres de lin, chanvre et sisal. Ces fibres ont été soumises à des conditions hygrométriques contrôlées. Les spectres infrarouges des échantillons ont été enregistrés en mode réflexion totale atténuée. Les informations spectrales ont permis de mettre en évidence les fonctions chimiques impliquées dans les mécanismes d’absorption de l’humidité et de quantifier le taux d’humidité retenu par les fibres. Pour cela, des modèles de régression partielle des moindres carrés ont été développés en exploitant des données expérimentales issues de mesures gravimétriques. Ces modèles se sont révélés de bons outils pour la caractérisation des cinétiques de diffusion de l’eau dans ces différentes fibres

Effet de l’érosion par des particules de sable sur la performance des pales d’éoliennes dans les zones arides et semi-arides

Cet article présente les résultats d’une recherche expérimentale visant à étudier la dégradation de la surface des pales d’éoliennes situées dans des zones arides causée par les impacts de particules de sable et l’influence qui en résulte sur leur performance énergétique. Les essais sont effectués dans une sableuse à érosion puis dans la soufflerie pour la pale en fibre de verre / polyester non revêtue sous différents angles et durées d’impact. Les forces aérodynamiques sur les profiles NACA 4412 sont déterminées expérimentalement. Tous les profiles (AR = 0,571) sont testés dans une soufflerie à une vitesse de l’air de 10 m/s au nombre de Reynolds 6.5×105. Les résultats montrent les différences de comportement détectées pour les échantillons avec T = 160s, T = 240s et T = 340s (quand Ra augmente) en les comparant avec l’échantillon lisse (T = 0s, Ra = 0,94). Les coefficients de force (CL et CD) montrent des changements significatifs qui conduisent à une diminution du rapport portance-traînée et donc une perte de performance notable

Statistical properties of effective elastic moduli of random cubic polycrystals

The homogenized elastic properties of polycrystals depend on the grain morphology and crystallographic orientations. For simplification purposes, the orientations of the grains are usually considered three independent Euler angles. However, experimental investigations reveal spatial correlations in these angles. The Karhunen–Loève expansion is used to generate random fields of Euler angles having exponential kernel functions with varying correlation lengths. The effective elastic moduli for numerically generated statistically equiaxed cubic polycrystals are estimated via the classical Eshelby–Kröner Self-Consistent homogenization model. The influence of the correlation lengths of the orientations’ random fields on the statistical properties of the effective elastic moduli has been investigated. Our results show that spatially correlated Euler angles could increase the variability of the homogenized elastic properties compared to the ones having uncorrelated Euler angles. Nevertheless, using independent random variables for Euler angles remains valid when correlation lengths are close to the average grain size

Nouvelle méthode de maintenance CBM pour améliorer la durée de vie des pales d’éoliennes implantées dans les zones arides

l’amélioration de la durée de vie des pales éoliennes opérant dans une région aride au-delà de sa durée de vie habituelle de 20 ou 25 ans oblige leur propriétaire à augmenter le nombre des inspections dans le cadre de la maintenance préventive sachant que les coûts de maintenance et d’arrêt d’une d’éolienne ont un impact direct sur la production totale et peuvent représenter jusqu’à 25% de l’énergie produite. Sachant que dans une région poussiéreuse, les pales sont soumises à une usure érosive qui contribue à la modification de la forme aérodynamique du bord d’attaque et réduit ainsi les performances de l’éolienne. Ce papier décrive et propose une nouvelle méthode de maintenance CBM pour améliorer la durée de vie d’une pale éolienne. Les résultats expérimentaux montrent que l’utilisation de cette méthode est très efficace pour détecter toute dégradation provoquée par l’usure érosive à la surface d’une pale pendant son service

Modèles de transition d'échelles pour l'étude de matériaux biphasés

International audienceLargement utilisés pour des applications industrielles, les matériaux biphasés polycristallins présentent des hétérogénéités de comportement élastique, thermique et plastique à l'échelle de la phase et des cristallites. L'identification des lois de comportement des phases est nécessaire pour dimensionner une structure composée à partir de ces matériaux. Ce livre décrit des méthodes originales pour estimer les constantes d'élasticité et de dilatation thermique d'une des phases d'un système multiphasé. La démarche repose sur un couplage de résultats expérimentaux avec des modèles de transition d'échelles. Les propriétés de la phase beta du Ti-17 ont ainsi été caractérisées depuis l'échelle du cristal. Les hétérogénéités de comportement élasto-plastique des matériaux biphasés ont été investiguées lors de l'étude d'un alliage de Ti-662 fortement texturé. Des analyses de contraintes par Diffraction des Rayons X ont été confrontées à la simulation. Les outils numériques et les procédures expérimentales décrits dans cet ouvrage assurent une meilleure compréhension des mécanismes intervenant dans la génération des états mécaniques multi-échelles de matériaux biphasés

Multi-scale analysis of fiber reinforced composite parts submitted to environmental and mechanical loads

The purpose of this work is to present various application of statistical scale transition models to the analysis of polymer-matrix composites submitted to thermo-hygro-mechanical loads. In order to achieve such a goal, two approaches, classically used in the field of modelling heterogeneous material are studied: Eshelby-Kröner self-consistent model on the one hand and Mori-Tanaka approximate, on the second hand. Both models manage to handle the question of the homogenization of the microscopic properties of the constituents (matrix and reinforcements) in order to express the effective macroscopic coefficients of moisture expansion, coefficients of thermal expansion and elastic stiffness of a uni-directionally reinforced single ply. Inversion scale transition relations are provided also, in order to identify the effective unknown behaviour of a constituent. The proposed method entails to inverse scale transition models usually employed in order to predict the homogenised macroscopic elastic/hygroscopic/thermal properties of the composite ply from those of the constituents. The identification procedure involves the coupling of the inverse scale transition models to macroscopic input data obtained through either experiments or in the already published literature. Applications of the proposed approach to practical cases are provided: in particular, a very satisfactory agreement between the fitted elastic constants and the corresponding properties expected in practice for the reinforcing fiber of typical composite plies is achieved. Another part of this work is devoted to the extensive analysis of macroscopic mechanical states concentration within the constituents of the plies of a composite structure submitted to thermo-hygro-elastic loads. Both numerical and a fully explicit version of Eshelby-Kröner model are detailed. The two approaches are applied in the viewpoint of predicting the mechanical states in both the fiber and the matrix of composites structures submitted to a transient hygro-elastic load. For this purpose, rigorous continuum mechanics formalisms are used for the determination of the required time and space dependent macroscopic stresses. The reliability of the new analytical approach is checked through a comparison between the local stress states calculated in both the resin and fiber according to the new closed form solutions and the equivalent numerical model: a very good agreement between the two models was obtained. The purpose of the final part of this work consists in the determination of microscopic (local) quadratic failure criterion (in stress space) in the matrix of a composite structure submitted to purely mechanical load. The local failure criterion of the pure matrix is deduced from the macroscopic strength of the composite ply (available from experiments), using an appropriate inverse model involving the explicit scale transition relations previously obtained for the macroscopic stress concentration at microscopic level. Convenient analytical forms are provided as often as possible, else procedures required to achieve numerical calculations are extensively explained. Applications of this model are achieved for two typical carbon-fiber reinforced epoxies: the previously unknown microscopic strength coefficients and ultimate strength of the considered epoxies are identified and compared to typical expected values published in the literature

Eshelby-Kröner Self-Consistent elastic model: the geometric mean versus the arithmetic mean - A numerical investigation

International audienceScale-transition models, such as Eshelby-Kroner self-consistent framework, which are often used for predicting the effective behavior of heterogeneous materials or estimating the distribution of local states from the knowledge of the corresponding macroscopic quantities, require the extensive use of set averages. The present paper is devoted to the comparison of the numerical results provided in pure elasticity by Eshelby-Kroner model depending on the average type chosen for achieving set average operations: either the traditional arithmetic mean or the geometric average. Various numerical applications of the model to the case of predicting either the effective stiffness or the lattice strains of single-phase polycrystals will be provided. The particular case when an extreme grain-shape occurs will also be investigated

Extension of the Vook-Witt and inverse Vook-Witt elastic grain-interaction models to general loading states

International audienceThe recently developed Vook–Witt and inverse Vook–Witt elastic grain-interaction models have been employed for the calculation of mechanical elastic constants and diffraction (X-ray) stress factors of, in particular, thin films. However, their applicability is limited to a planar, rotationally symmetric state of macroscopic, mechanical stress. For such a loading state (and an, at least, transversely, elastically isotropic specimen), only two mechanical elastic constants are necessary to describe mechanical elastic behaviour and only the sum of two diffraction (X-ray) stress factors is needed to relate lattice strains to the one independent component of the mechanical stress tensor. The restriction to a planar, rotationally symmetric state of mechanical stress will be removed in this work. Calculation of the full stiffness tensor and all six diffraction (X-ray) stress factors then becomes possible. It was found previously that the Vook–Witt and inverse Vook–Witt models become (but only approximately) equivalent to the Eshelby–Kröner model for certain ideal grain-shape textures. For this reason, results of numerical calculations of mechanical elastic constants and diffraction (X-ray) stress factors, based on the Vook–Witt and inverse Vook–Witt models, will be presented and compared to corresponding results obtained from the Eshelby--Kröner grain-interaction model considering ideal grain-shape (‘morphological’) textures

Water-mechanical property coupling

The present contribution investigates the effects related to theplasticization of the polymer matrix occurring during the water sorption process onthe internal mechanical state profiles, at the constituent and ply scales. Then, twomulti-physics models are considered to account that the moisture sorption dependson the internal mechanical states: the free volume theory and a thermodynamicapproach