Image-based multiphysics modelling, lifetime evaluation, and failure scenario analysis of self-healing Ceramic-Matrix mini-Composites under a tensile load

Abstract

La présente thèse se propose de développer un modèle capable de décrire le comportement auto-cicatrisant des composites à matrice céramique destinés à être utilisés dans les parties chaudes des turbines d'avion et d'étudier l'effet des complexes interactions physiques, chimiques et mécaniques en termes de durée de vie. L'intérêt pour ces matériaux est dû à leur durée de vie extrêmement élevée en raison de leur capacité à cicatriser les fissures par l'action d'un oxyde protecteur. La première partie de la thèse est consacrée à la description du modèle numérique construit pour caractériser le comportement et la rupture d'un mini-composite sous une charge de traction à partir d'un modèle image bidimensionnel d'une fissure transversale. Un système d'EDP et d'ODEs moyenné sur une fissure est proposé pour le transport de l'oxygène et de toutes les espèces chimiques impliquées dans le processus de cicatrisation. La forme adimensionnelle des équations est étudiée pour effectuer les choix de discrétisation les plus appropriés concernant l'intégration temporelle et les conditions aux limites. Concernant la dégradation des fibres, un modèle de propagation sous critique des défauts explicitement dépendant des paramètres environnementaux est calibré en utilisant une solution exacte particulière impliquant des paramètres externes constants et intégré numériquement dans le cas général. La rupture du fil résulte de la distribution statistique de la résistance initiale des fibres, de la cinétique de croissance progressive des défauts et du mécanisme de répartition de la charge suite à la rupture des fibres. Ce processus est décrit par un modèle mécanique analytique. Les capacités de prédiction de la durée de vie du modèle numérique multi-physique résultant, ainsi que l'impact de la température, de la charge appliquée, de la variation spatiale de la distribution statistique de la résistance des fibres et de la forme et de la taille de fil sont étudiés dans la deuxième partie de la thèse. Enfin, pour examiner le degré de variabilité de la durée de vie évaluée, une étude de quantification des incertitudes ainsi qu'une analyse de sensibilité de ce modèle sont proposées afin d'assurer sa stabilité et de décrire précisément comment l'incertitude des paramètres d'entrée se propage par la simulation.