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Fiche descriptive du sujet de thèse

(SUJET POURVU) Etude expérimentale et modélisation du comportement en fatigue/fluage de composites à matrice thermoplastique (SUJET POURVU) Etude expérimentale et modélisation du comportement en fatigue/fluage de composites à matrice thermoplastique

(SUJET POURVU) Etude expérimentale et modélisation du comportement en fatigue/fluage de composites à matrice thermoplastique

(SUBJECT PROVIDED) Experimental study and modelling of the fatigue/creep behavior of thermoplastic matrix composites

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

JOANNES Sebastien

Unité de recherche

Centre des Matériaux

Contact
Date de validité

26/09/2023

Site Web
Mots-clés

Thermoplastique, fatigue, fluage, expérimentation, modélisation, microstructure

Thermoplastic, fatigue, creep, experimental, modelling, microstructure

Résumé

Les matériaux composites à matrice thermoplastique sont des candidats de choix pour l'essor d'une mobilité plus respectueuse de l'environnement et beaucoup moins polluante. Ils permettent de répondre à une partie des exigences environnementales et de l'évolution attendue du secteur des transports visant notamment à optimiser l'impact énergétique des véhicules. Le dimensionnement des pièces composites à matrice thermoplastique est rendu difficile du fait de leur variabilité microstructurale induite par les procédés de transformation. L'objet de cette thèse vise à s'intéresser aux mécanismes microstructuraux mis en jeu lors de sollicitations dans le domaine de la fatigue et du fluage. Il s'agit de rapprocher le comportement cyclique de celui dépendant du temps. Une exploration à la fois expérimentale (à différentes échelles) et de modélisation est proposée lors de ce travail de thèse. L'objectif est d'avancer dans la compréhension des phénomènes en jeu pour aboutir à la mise en place d'un modèle physiquement motivé et efficient pour le dimensionnement dans un cadre industriel.

Thermoplastic matrix composites are prime candidates for a more environmentally friendly and less polluting mobility. They meet part of the environmental requirements and the expected evolution of the transport sector, aimed at optimising the energy impact of vehicles. However, the complexity of these materials, such as their heterogeneity and microstructure variability induced by the transformation processes complicates the designing of reliable parts. The aim of this thesis is to investigate the microstructural mechanisms involved in fatigue and creep loading. It is a question of bringing the cyclic behaviour closer to that dependent on time. Both experimental (at different scales) and modelling exploration is proposed in this work. The objective is to make progress in understanding of the phenomena involved in order to set up a physically appropriate model for designing in an industrial setting.

Contexte

Ce sujet se place dans un contexte d'allègement des structures pour le domaine des transports afin d'améliorer l'efficacité énergétique et l'autonomie des véhicules. Les matériaux composites à matrice thermoplastique, en particulier à fibres courtes, sont une des solutions pour obtenir un compromis entre diminution de masse, performances mécaniques attendues et cadences de production. De plus, les facilités de recyclage de ces matériaux en font naturellement de bons candidats pour leurs applications dans le cadre de l'écoconception.
Le comportement en fatigue de tels matériaux commence à être connu mais les modèles de dimensionnement ne sont pas encore déployés pour des applications industrielles.
Des premiers travaux réalisés entre l'ESTACA et le Centre des Matériaux des Mines de Paris a permis de mettre en place un critère unifié de fatigue applicable à la fois en fluage et en fatigue (traction/traction) pour des temps courts (inférieurs à 104 s) [Gillet et al, 2021]. Ce critère fait directement le lien avec la fatigue et le fluage et ouvre un autre angle de recherche pour une démarche de dimensionnement en fatigue via le fluage.

Encadrement

Co-encadrant externe : Bedrici Nacera ESTACA
Co-encadrant externe: Gillet Stéphane ESTACA

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech : Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : polymères et composites, mécanique des matériaux.
Une expérience dans le domaine de la rupture et/ou dans la modélisation par éléments finis serait appréciée.



Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis): polymers and composites, mechanics of materials.
Experience in the field of fracture and/or finite element modelling would be appreciated.



Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Résultat attendu

Résultats attendus :
• Avancées dans la compréhension et la description du lien entre la fatigue et le fluage ;
• définition et réalisation d'une campagne d'essais en fluage et en fatigue par rapport aux paramètres pertinents à explorer ;
• adaptation du critère existant sur cette même base expérimentale ;
• mise en place d'une démarche de dimensionnement en fatigue basée sur la modélisation du fluage secondaire.

Objectif

La microstructure et le comportement de la matrice rend la réponse mécanique des composites thermoplastiques dépendante de nombreux paramètres.
En fatigue uniaxiale, la température, la teneur en eau, la microstructure, le rapport de charge, la fréquence de sollicitation sont d'ordre un dans la réponse du matériau [Horst, 1996] [Rolland, 2017].
Cette réponse peut être déterminée par l'application d'un critère basé sur la vitesse de déformation en fluage [Raphaël, 2019]. Ce critère permet également de prédire le comportement en fluage et fait le lien entre les deux sollicitations [Gillet et al, 2021].
Il apparaît important à présent d'approfondir la compréhension et la description des phénomènes physiques sous-jacent à l'évolution de la vitesse de déformation en fluage (plasticité, viscoélasticité, endommagement) lors d'essais de fatigue et de fluage.


Les objectifs sont :
• d'étendre le domaine de validité du critère en température et sur l'ensemble des rapports de charges hors compression/compression ;
• d'approfondir le lien entre le fluage et la fatigue par l'intermédiaire d'une approche multi-échelle ;
• de mettre en place un modèle de comportement associé au critère en s'inspirant des approches utilisées pour le fluage.

Références

Gillet, S., T. Jacopin, S. Joannès, N. Bedrici, et L. Laiarinandrasana. « Short-Term Creep and Low Cycle Fatigue Unified Criterion for a Hybridised Composite Material ». International Journal of Fatigue, octobre 2021, 106571. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106571.

J.J. Horst and J.L. Spoormaker. Mechanisms of fatigue in short glass fiber reinforced polyamide 6. Polymer Engineering and Science, 36(22) :2718–2726, 1996.

H. Rolland. Comportement en fatigue et mécanismes d'endommagement du polyamide-66 renforcé par des fibres de verre courtes. Thèses, Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2017.

I. Raphael. Fatigue-fluage du Polyamide 6,6 renforcé. Thèses, Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, December 2019.

Type financement

Contrat de recherche

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=48793

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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