Thèse CIFRE : ELABORATION D’UNE LOI DE COMPORTEMENT ELASTO-PLASTIQUE D’UN RENFORT TISSE 3D CONSTITUE DE FILS DE CARBONE

La demande croissante de réduction de la consommation des moteurs, en particulier dans le domaine de l’aéronautique, engendre des défis technologiques majeurs, relatifs en particulier à l’amélioration de leurs rendements énergétiques. Un levier important est la réduction de la masse du moteur qui nécessite des matériaux innovants, comme les matériaux composites tissés 3D de type interlock utilisés aujourd’hui pour les aubes de soufflante du moteur LEAP, et considérés pour la prochaine génération RISE (projet de moteur très innovant sans carénage ni nacelle).

Ces matériaux (échelle macro) sont constitués de fils (« torons ») (échelle méso) tissés selon une architecture optimisée, les fils étant eux-mêmes composés de plusieurs milliers de filaments de carbone (échelle micro). La « préforme tissée » à plat, après découpes des parties inutiles des fils (e.g. sorties de couches permettant la dégressivité d’épaisseur), est mise en forme dans un moule avant infiltration de résine, qui est ensuite réticulée à chaud, pour former la pièce finale, par exemple une aube de soufflante. L’étape de mise en forme est donc critique pour ces matériaux pour atteindre les objectifs de forme, et surtout les propriétés mécaniques de ces pièces.

Si le comportement d’un filament de carbone à l’échelle microscopique est simple, le toron obtenu par retordage de plusieurs mèches, est déjà un objet mécaniquement plus complexe pour lequel différentes modélisations mésoscopiques ont été proposées. La préforme possède encore un degré de complexité supplémentaire, alors même que la taille de la pièce finale nécessite une description plutôt à l’échelle macroscopique. La thèse vise donc à proposer une telle loi macroscopique qui permette de rendre compte de manière fidèle de la mise en forme, depuis la sortie du métier à tisser, « as-woven », vers la préforme dans son moule, géométrie « as-manufactured ». Plusieurs modélisations ont déjà été proposées, en particulier par des modélisations hyperélastiques, satisfaisantes pour certaines applications, mais intrinsèquement limitées pour la mise en forme car ne rendant pas compte de déformations irréversibles.

La thèse envisagée vise à construire une loi de comportement mécanique de la préforme, en s’appuyant sur des essais qui soient représentatifs des sollicitations et conditions de mise en forme, et en faisant le lien entre échelles macro et méso. Il s’agira ensuite de formuler une telle loi, proposer des variables internes pertinentes, et aboutir à une description macroscopique satisfaisante sur la base d’observables issues d’essais tomographiés in situ. L’implémentation de la loi ainsi formulée dans un code aux éléments finis servira de guide, en parallèle aux expériences, pour valider la formulation, et la faire progresser si nécessaire.

Le cadre envisagé pour ce travail est une thèse CIFRE avec la société Safran Aircraft Engines, et se déroulera pour une large part au LMPS sur le site de l'ENS Paris-Saclay. L’encadrement de la thèse sera assuré par Y. Wielhorski (SAE) et S. Roux (LMPS). Le profil recherché est un candidat motivé par la mécanique expérimentale et la modélisation, disposant d’une formation solide dans ces deux domaines.

Master en mécanique. Bonne connaissance des lois élasto-plastiques. Compétences en éléments finis et en logiciels tels que Abaqus et Ls-Dyna.