Modelling of the Degradation of a Carbon-Epoxy Composite Subjected to a Coupled Thermo-Mechanical Loading. Application to Type IV Hydrogen Vessels - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2017

Modelling of the Degradation of a Carbon-Epoxy Composite Subjected to a Coupled Thermo-Mechanical Loading. Application to Type IV Hydrogen Vessels

Modélisation de la dégradation d'un matériau composite carbone-époxy soumis à une sollicitation thermo-mécanique couplée. Application aux réservoirs d'hydrogène de type IV

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Abstract

Composite materials made of carbon fibres and epoxy resin have remarkable specific properties that make them suitable for large-scale use in many areas where mass savings are required, such as transport. An example is the type IV hydrogen tank in motor vehicles. In the context of the safety of persons, the fire risk must then be considered: when a hydrogen tank undergoes thermal aggression such as a fire, its composite shell is subject to thermal decomposition which, coupled with heat transfers and damage due to mechanical loading, can lead to burst of the structure. To numerically predict the behaviour of tanks subjected to coupled load (thermal and mechanical), a model based on the phenomena having a major impact on the behaviour of the material has been developed. It involves, in a thermodynamic framework, matrix microcracking, fibre failure and fibre/matrix interfaces decohesion as well as delamination and represents the effects of temperature on mechanical properties. To this mechanical damage is added the thermal decomposition due to high temperatures (>350°C). It induces structural changes in the material due to the gasification of the epoxy resin, a change in thermal parameters (which has an influence on heat transfers) and a loss of mechanical properties.At the specimen scale, calculations are carried out to determine the parameters of the different sub-models. This includes initiation criteria and damage evolution laws, reaction parameters for thermal decomposition and thermal parameters (density, thermal capacity and conductivity) for each decomposition state. A method is proposed to determine the key parameters of thermomechanical coupling, namely the influence of thermal decomposition on mechanical behaviour. Fully coupled calculations are also performed to determine the weight of each phenomenon (temperature, thermal decomposition and mechanical damage) on the final failure of the material under fire exposure conditions.At the hyperbaric tank scale, burst pressure predictions, in a fire situation and at room temperature, are carried out. At room temperature, the role of each damage process in the ultimate pressure is evaluated to determine their relative weight in the modelling. Under fire conditions, the time to burst is evaluated when the tank is subjected to different internal pressures. The model is able to correctly predict the transition from a burst mode at high pressure to leak mode at lower pressure due to melting of the liner before the stress level is critical in the composite shell and leads to burst. This approach, implemented at the scale of the tank, therefore makes it possible to establish the sequence of events leading to burst (plies in which damage occurs, temperature field in the composite wall, burst time).
Les matériaux composites constitués de fibres de carbone et de résine époxy présentent des propriétés spécifiques remarquables qui les destinent à une utilisation à grande échelle dans de nombreux domaines où des gains de masse sont recherchés, comme le transport. Les réservoirs d’hydrogène de type IV présents dans les véhicules automobiles en sont un exemple. Dans le cadre de la sécurité des biens et des personnes, le risque incendie doit alors être considéré : lorsqu’un réservoir d’hydrogène subit une agression thermique telle qu’un feu, son enveloppe en matériau composite est sujette à décomposition thermique qui, couplée aux transferts de chaleur et à l’endommagement dû au chargement mécanique, peut conduire à l’explosion de la structure. Pour prédire numériquement le comportement des réservoirs dans des situations de charges couplées, thermiques et mécaniques, un modèle construit sur la prise en compte des phénomènes ayant une conséquence majeure sur le comportement du matériau a été développé. Il intègre, dans un cadre thermodynamique, la microfissuration matricielle, la rupture des fibres et des interfaces fibres/matrice ainsi que le délaminage et représente les effets de la température sur les propriétés mécaniques. A cet endommagement mécanique est adjoint la décomposition thermique due aux températures élevées (>350°C). Elle induit des changements de structure du matériau due à la gazéification de la résine époxy, une modification des paramètres thermiques (ce qui a une influence sur les transferts de chaleur) et une perte des propriétés mécaniques.A l’échelle de l’éprouvette, des calculs sont menés afin de déterminer les paramètres des différents sous-modèles. Cela comporte les critères d’initiation et les lois d’évolution des endommagements, les paramètres réactionnels pour la décomposition thermique et les paramètres thermiques (masse volumique, capacité thermique et conductivité) pour chaque état de décomposition. Une méthode est proposée pour fixer les paramètres clés du couplage thermomécanique, à savoir l’influence de la décomposition thermique sur le comportement mécanique. Des calculs entièrement couplés sont également réalisés afin de déterminer le poids de chaque phénomène (température, décomposition thermique et endommagement mécanique) sur la rupture finale du matériau en condition d’exposition au feu.A l’échelle du réservoir hyperbare, des prédictions de pressions d’éclatement, en situation d’incendie et à température ambiante, sont menées. A température ambiante, le rôle de chaque processus d’endommagement dans la pression ultime est évalué afin de déterminer leur nécessité dans la modélisation. Dans des conditions d’incendie, le temps à éclatement est évalué lorsque le réservoir est soumis à différentes pressions internes. Le modèle est capable de prédire correctement la transition entre un mode d’éclatement à haute pression et un mode de fuite par le corps à plus faible pression, dû à la fusion du liner avant que le niveau de contraintes soit critique dans la coque composite et conduise à l’éclatement. Cette approche, mise en place à l’échelle du réservoir, permet donc d’établir la succession des événements menant à son éclatement (ordre et plis d’apparition des endommagements, champ de température dans l’épaisseur l’enveloppe composite, temps à explosion).
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tel-01696237 , version 1 (30-01-2018)

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  • HAL Id : tel-01696237 , version 1

Cite

Camille Mercadé Mercadé. Modélisation de la dégradation d'un matériau composite carbone-époxy soumis à une sollicitation thermo-mécanique couplée. Application aux réservoirs d'hydrogène de type IV. Autre. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2017. Français. ⟨NNT : 2017ESMA0027⟩. ⟨tel-01696237⟩
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