Caractérisation et modélisation de la relation entre l'endommagement et la perméabilité d'un composite stratifié en condition cryogénique

Abstract

Le dimensionnement de réservoirs cryogéniques sans liner pour les lanceurs spatiaux nécessite d’identifier précisément le comportement complexe et multi-échelle d’un composite stratifié ainsi que sa perméabilité en fonction du chargement thermomécanique induit par les très basses températures des ergols liquides ainsi que les efforts dus à la pressurisation et au lancement. L’objectif de ces recherches est donc de proposer un méso-modèle de prédiction de l’endommagement et des chemins de fuite en fonction du chargement appliqué à la structure composite. Le méso-modèle est construit et enrichi à partir de plusieurs protocoles de caractérisation expérimentale du comportement élasto-endommageable du composite stratifié. Dans un premier temps, ces travaux visent à étendre les protocoles de caractérisation existants à température ambiante aux très basses températures. Des observations sous charge par microscopie et tomographie-X sont réalisées sur des éprouvettes droites afin d'identifier et quantifier les cinétiques de fissuration transverse et notamment les effets d’interaction entre plis qui pilotent l'apparition des premiers points de fuite. Par ailleurs, deux essais sur éprouvettes tubulaires est développé afin de mesurer la perméabilité du matériau, mais également localiser et observer les points de fuite sous chargement thermomécanique mono-axial et bi-axial. Afin de compléter et appuyer les observations expérimentales, ces travaux proposent une stratégie de modélisation discrète de l’endommagement d’un composite stratifié à l’échelle mésoscopique en s’appuyant sur la méthode des zones cohésives. Enfin, le méso-modèle d’endommagement proposé dans les études précédentes, basé sur un changement d'échelle avec une équivalence en énergie pour prédire les cinétiques de fissuration, est étendu au domaine des basses températures. Les effets d’interaction entre plis endommagés sont par ailleurs introduits de manière phénoménologique dans le but de prédire les densités de chemin de fuite. Une confrontation entre le modèle et un essai représentatif de l’application industrielle permet d’évaluer la pertinence de la stratégie mise en place.