Scale transition between plant fibre and UD composite : propagation of variability and nonlinearities

Transition d’échelle entre fibre végétale et composite UD : propagation de la variabilité et des non-linéarités

Alessandra del Masto (1)

1 FEMTO-ST - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174)

Although plant-fiber reinforced composites (PFCs) represent an attractive solution for the design of lightweight, high performance and low environmental cost structures, their development requires in-depth studies of the mechanisms underlying their nonlinear tensile behavior, as well as variability of mechanical properties. Given their multi-scale nature, this thesis aims to contribute, using a numerical approach, to the study of the propagation of behavior across the scales of PFCs. Firstly, the study focuses on the fiber scale: a 3D model of the behavior of the wall is first implemented in an EF calculation, in order to establish the influence of fiber morphology on the tensile behavior. Once the non-negligible impact of the morphology has been determined, a study of the links between morphology, material and ultrastructure and tensile behavior is conducted via a sensitivity analysis in the case of flax and hemp. The second part of the work is dedicated to the composite ply scale. A new stochastic multi-scale approach is developed and implemented. It is based on the definition of an elementary volume (VE) with random microstructure to describe the behavior of the ply. The approach is then used to study the sensitivity of VE behavior to nano, micro and mesoscopic parameters. Sensitivity analysis, conducted via the development of the response on the basis of polynomial chaos, allows us to construct a metamodel of the tensile behavior of the ply.

Bien que les matériaux composites renforcés par fibres végétales (PFCs) représentent une solution attractive pour la conception de structures légères, performantes et à faible coût environnemental, leur développement nécessite des études approfondies concernant les mécanismes à la base du comportement non-linéaire en traction exprimé, ainsi que de la variabilité des propriétés mécaniques. Compte tenu de leur caractère multi-échelle, ces travaux de thèse visent à contribuer, via une approche numérique, à l’étude de la propagation de comportement à travers les échelles des PFCs. Dans un premier temps, l’étude se focalise sur l’échelle fibre : un modèle 3D de comportement de la paroi est d’abord implémenté dans un calcul EF, afin d’établir l’influence de la morphologie de la fibre sur le comportement exprimé. Une fois l’impact non négligeable de la morphologie déterminé, une étude des liens entre morphologie, matériau et ultrastructure et comportement en traction est menée via une analyse de sensibilité dans le cas du lin et du chanvre. La deuxième partie du travail es dédiée à l’échelle du pli de composite. Une nouvelle approche multi-échelle stochastique est développée et implémentée. Elle est basée sur la définition d’un volume élémentaire (VE) à microstructure aléatoire pour décrire le comportement du pli. L’approche est ensuite utilisée pour étudier la sensibilité du comportement du VE aux paramètres nano, micro et mésoscopiques. L’analyse de sensibilité, menée via le développement de la réponse sur la base du chaos polynomial, nous permet ainsi de construire un métamodèle du comportement du pli.

Mots clés: Plant fibres; Multi-Scale methods; Composites; Stochastic methods; Numerical modelling; Nonlinear behaviour

Mots clés: Fibres végétales; Approches multi-Échelles; Composites; Approches stochastiques; Modélisation numérique; Comportement non-Linéaire

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Alessandra del Masto. Transition d’échelle entre fibre végétale et composite UD : propagation de la variabilité et des non-linéarités. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Bourgogne Franche-Comté, 2018. Français. ⟨NNT : 2018UBFCD022⟩. ⟨tel-02000991⟩