La prédiction des propriétés et l'optimisation de la microstructure ds composites multi-phases et multi-couches C/SiC, Prediction of properties and optimal design of microstructure of multi-phase and multi-layer C/SiC composites

Yingjie Xu

Description

Sous la direction de Matthieu Domaszewski, Weihing Zhang, Dominique Chamoret
Thèse soutenue le 08 juillet 2011: Nortwestern Polytechnical Universtity de XI'AN, Belfort-Montbéliard
Les matériaux composites à matrice de carbure de silicium renforcée par des fibres decarbone (C/SiC) sont des composites à matrice céramique (CMC), très prometteurs pour desapplications à haute température, comme le secteur aéronautique. Dans cette thèse, sontmenées des études particulières concernant les propriétés de ces matériaux : prédiction despropriétés mécanique (élastiques), analyses thermiques (optimisation des contraintesthermiques), simulation de l’oxydation à haute température.Une méthode basée sur l’énergie de déformation est proposée pour la prédiction desconstantes élastiques et des coefficients de dilatation thermiques de matériaux compositesorthotropes 3D. Dans cette méthode, les constantes élastiques et les coefficients de dilatationthermique sont obtenus en analysant la relation entre l'énergie de déformation de lamicrostructure et celle du modèle homogénéisé équivalent sous certaines conditions auxlimites thermiques et élastiques. Différents types de matériaux composites sont testés pourvalider le modèle.Différentes configurations géométriques du volume élémentaire représentatif des compositesC/SiC (2D tissés et 3D tressés) sont analysées en détail. Pour ce faire, la méthode énergétiquea été couplée à une analyse éléments finis. Des modèles EF des composites C/SiC ont étédéveloppés et liés à cette méthode énergétique pour évaluer les constantes élastiques et lescoefficients de dilatation thermique. Pour valider la modélisation proposée, les résultatsnumériques sont ensuite comparés à des résultats expérimentaux.Pour poursuivre cette analyse, une nouvelle stratégie d'analyse « globale/locale »(multi-échelle) est développée pour la détermination détaillée des contraintes dans lesstructures composites 2D tissés C/SiC. Sur la base de l'analyse par éléments finis, laprocédure effectue un passage de la structure composite homogénéisée (Echelle macro :modèle global) au modèle détaillé de la fibre (Echelle micro : modèle local). Ce passage entreles deux échelles est réalisé à partir des résultats de l'analyse globale et des conditions auxlimites du modèle local. Les contraintes obtenues via cette approche sont ensuite comparées àcelles obtenues à l’aide d’une analyse EF classique.IVLa prise des contraintes résiduelles thermiques (contraintes d’origine thermique dans lesfibres et la matrice) joue un rôle majeur dans le comportement des composites à matricescéramiques. Leurs valeurs influencent fortement la contrainte de microfissuration de lamatrice. Dans cette thèse, on cherche donc à minimiser cette contrainte résiduelle thermique(TRS) par une méthode d’optimisation de type métaheuristique: Particle Swarm Optimization(PSO), Optimisation par essaims particulaires.Des modèles éléments finis du volume élémentaire représentatif de composites 1-Dunidirectionnels C/SiC avec des interfaces multi-couches sont générés et une analyse paréléments finis est réalisée afin de déterminer les contraintes résiduelles thermiques. Unschéma d'optimisation couple l'algorithme PSO avec la MEF pour réduire les contraintesrésiduelles thermiques dans les composites C/SiC en optimisant les épaisseurs des interfacesmulti-couches.Un modèle numérique est développé pour étudier le processus d'oxydation de microstructureet la dégradation des propriétés élastiques de composites 2-D tissés C/SiC oxydant àtempérature intermédiaire (T<900°C). La microstructure du volume élémentaire représentatifde composite oxydé est modélisée sur la base de la cinétique d'oxydation. La méthode del'énergie de déformation est ensuite appliquée au modèle éléments finis de la microstructureoxydé pour prédire les propriétés élastiques des composites. Les paramètres d'environnement,à savoir, la température et la pression, sont étudiées pour voir leurs influences sur lecomportement d'oxydation de composites C/SiC.
-Composites C/SiC
-Modélisation éléments finis
-Méthode de l'énergie de
-Modélisation de la microstructure
-Analyse des contraintes
-Optimisation)
-Oxydation
Carbon fiber-reinforced silicon carbide matrix (C/SiC) composite is a ceramic matrixcomposite (CMC) that has considerable promise for use in high-temperature structuralapplications. In this thesis, systematic numerical studies including the prediction of elasticand thermal properties, analysis and optimization of stresses and simulation ofhigh-temperature oxidations are presented for the investigation of C/SiC composites.A strain energy method is firstly proposed for the prediction of the effective elastic constantsand coefficients of thermal expansion (CTEs) of 3D orthotropic composite materials. Thismethod derives the effective elastic tensors and CTEs by analyzing the relationship betweenthe strain energy of the microstructure and that of the homogenized equivalent model underspecific thermo-elastic boundary conditions. Different kinds of composites are tested tovalidate the model.Geometrical configurations of the representative volume cell (RVC) of 2-D woven and 3-Dbraided C/SiC composites are analyzed in details. The finite element models of 2-D wovenand 3-D braided C/SiC composites are then established and combined with the stain energymethod to evaluate the effective elastic constants and CTEs of these composites. Numericalresults obtained by the proposed model are then compared with the results measuredexperimentally.A global/local analysis strategy is developed for the determination of the detailed stresses inthe 2-D woven C/SiC composite structures. On the basis of the finite element analysis, theprocedure is carried out sequentially from the homogenized composite structure of themacro-scale (global model) to the parameterized detailed fiber tow model of the micro-scale(local model). The bridge between two scales is realized by mapping the global analysisresult as the boundary conditions of the local tow model. The stress results by global/localmethod are finally compared to those by conventional finite element analyses.Optimal design for minimizing thermal residual stress (TRS) in 1-D unidirectional C/SiCcomposites is studied. The finite element models of RVC of 1-D unidirectional C/SiCIIcomposites with multi-layer interfaces are generated and finite element analysis is realized todetermine the TRS distributions. An optimization scheme which combines a modifiedParticle Swarm Optimization (PSO) algorithm and the finite element analysis is used toreduce the TRS in the C/SiC composites by controlling the multi-layer interfaces thicknesses.A numerical model is finally developed to study the microstructure oxidation process and thedegradation of elastic properties of 2-D woven C/SiC composites exposed to air oxidizingenvironments at intermediate temperature (T<900°C). The oxidized RVC microstructure ismodeled based on the oxidation kinetics analysis. The strain energy method is then combinedwith the finite element model of oxidized RVC to predict the elastic properties of composites.The environmental parameters, i.e., temperature and pressure are studied to show theirinfluences upon the oxidation behavior of C/SiC composites.
-C/SiC composites
-Finite element method
-Strain energy method
-Microstructure
-Stress analysis
-Optimization (Particle Swarm Optimization)
-Oxidation
Source: http://www.theses.fr/2011BELF0158/document

Sujets

• Réaction d'oxydo-réduction

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 25
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

N° d’ordre : 158 Année 2011


Université de Technologie de Belfort-Montbéliard – UTBM

Ecole doctorale Science Pour l’Ingénieur et Microtechnique – SPIM

THESE en co-tutelle internationale UTBM-NPU


Pour obtenir le grade de

DOCTEUR

SPECIALITE: MECANIQUE ET CONCEPTION


Prediction of properties and optimal design of
microstructure of multi-phase and multi-layer
C/SiC composites


Présentée et soutenue publiquement par

Yingjie XU


Le 08 juillet 2011 devant le jury d’examen :

Rapporteurs: Pierre DUYSINX, Professeur, Université de Liège, Belgique
Pascal LARDEUR, ECC HDR, Université de Technologie de Compiègne,
France
Examinateurs: Jan G. KORVINK, Professeur, Université de Freiburg, Allemagne
Matthieu DOMASZEWSKI, Professeur, Université de Technologie de
Belfort-Montbéliard, co-directeur de thèse, France
Weihong ZHANG, Professeur, Northwestern Polytechnical University,
co-directeur de thèse, Chine
Dominique CHAMORET, Maître de Conférences, Université de
Technologie de Belfort-Montbéliard, France
tel-00625953, version 1 - 23 Sep 2011Acknowledgements
Firstly, I would like to thank my supervisors, Professor Matthieu Domaszewski, Professor
Weihong Zhang and Dr. Dominique Chamoret for their guidance, patience and outstanding
support throughout my doctoral studies.
The General Council of Territory of Belfort and China Scholarship Council are gratefully
acknowledged for financially supporting my studies in France.
I would also like to extend my gratitude to the staff of laboratory M3M in UTBM and
Laboratory of Engineering Simulation and Aerospace Computing in NPU who have offered
their time and help over the years.
Finally, I want to thank my family and all my friends who have supported and encouraged me
throughout my studies.



tel-00625953, version 1 - 23 Sep 2011
Abstract
Carbon fiber-reinforced silicon carbide matrix (C/SiC) composite is a ceramic matrix
composite (CMC) that has considerable promise for use in high-temperature structural
applications. In this thesis, systematic numerical studies including the prediction of elastic
and thermal properties, analysis and optimization of stresses and simulation of
high-temperature oxidations are presented for the investigation of C/SiC composites.
A strain energy method is firstly proposed for the prediction of the effective elastic constants
and coefficients of thermal expansion (CTEs) of 3D orthotropic composite materials. This
method derives the effective elastic tensors and CTEs by analyzing the relationship between
the strain energy of the microstructure and that of the homogenized equivalent model under
specific thermo-elastic boundary conditions. Different kinds of composites are tested to
validate the model.
Geometrical configurations of the representative volume cell (RVC) of 2-D woven and 3-D
braided C/SiC composites are analyzed in details. The finite element models of 2-D woven
and 3-D braided C/SiC composites are then established and combined with the stain energy
method to evaluate the effective elastic constants and CTEs of these composites. Numerical
results obtained by the proposed model are then compared with the results measured
experimentally.
A global/local analysis strategy is developed for the determination of the detailed stresses in
the 2-D woven C/SiC composite structures. On the basis of the finite element analysis, the
procedure is carried out sequentially from the homogenized composite structure of the
macro-scale (global model) to the parameterized detailed fiber tow model of the micro-scale
(local model). The bridge between two scales is realized by mapping the global analysis
result as the boundary conditions of the local tow model. The stress results by global/local
method are finally compared to those by conventional finite element analyses.
Optimal design for minimizing thermal residual stress (TRS) in 1-D unidirectional C/SiC
composites is studied. The finite element models of RVC of 1-D unidirectional C/SiC
I
tel-00625953, version 1 - 23 Sep 2011
composites with multi-layer interfaces are generated and finite element analysis is realized to
determine the TRS distributions. An optimization scheme which combines a modified
Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm and the finite element analysis is used to
reduce the TRS in the C/SiC composites by controlling the multi-layer interfaces thicknesses.
A numerical model is finally developed to study the microstructure oxidation process and the
degradation of elastic properties of 2-D woven C/SiC composites exposed to air oxidizing
environments at intermediate temperature (T<900°C). The oxidized RVC microstructure is
modeled based on the oxidation kinetics analysis. The strain energy method is then combined
with the finite element model of oxidized RVC to predict the elastic properties of composites.
The environmental parameters, i.e., temperature and pressure are studied to show their
influences upon the oxidation behavior of C/SiC composites.
Keywords: C/SiC composites; Finite element method; Strain energy method; Microstructure
modelling; Stress analysis; Optimization (Particle Swarm Optimization); Oxidation


II
tel-00625953, version 1 - 23 Sep 2011
Résumé
Les matériaux composites à matrice de carbure de silicium renforcée par des fibres de
carbone (C/SiC) sont des composites à matrice céramique (CMC), très prometteurs pour des
applications à haute température, comme le secteur aéronautique. Dans cette thèse, sont
menées des études particulières concernant les propriétés de ces matériaux : prédiction des
propriétés mécanique (élastiques), analyses thermiques (optimisation des contraintes
thermiques), simulation de l’oxydation à haute température.
Une méthode basée sur l’énergie de déformation est proposée pour la prédiction des
constantes élastiques et des coefficients de dilatation thermiques de matériaux composites
orthotropes 3D. Dans cette méthode, les constantes élastiques et les coefficients de dilatation
thermique sont obtenus en analysant la relation entre l'énergie de déformation de la
microstructure et celle du modèle homogénéisé équivalent sous certaines conditions aux
limites thermiques et élastiques. Différents types de matériaux composites sont testés pour
valider le modèle.
Différentes configurations géométriques du volume élémentaire représentatif des composites
C/SiC (2D tissés et 3D tressés) sont analysées en détail. Pour ce faire, la méthode énergétique
a été couplée à une analyse éléments finis. Des modèles EF des composites C/SiC ont été
développés et liés à cette méthode énergétique pour évaluer les constantes élastiques et les
coefficients de dilatation thermique. Pour valider la modélisation proposée, les résultats
numériques sont ensuite comparés à des résultats expérimentaux.
Pour poursuivre cette analyse, une nouvelle stratégie d'analyse « globale/locale »
(multi-échelle) est développée pour la détermination détaillée des contraintes dans les
structures composites 2D tissés C/SiC. Sur la base de l'analyse par éléments finis, la
procédure effectue un passage de la structure composite homogénéisée (Echelle macro :
modèle global) au modèle détaillé de la fibre (Echelle micro : modèle local). Ce passage entre
les deux échelles est réalisé à partir des résultats de l'analyse globale et des conditions aux
limites du modèle local. Les contraintes obtenues via cette approche sont ensuite comparées à
celles obtenues à l’aide d’une analyse EF classique.
III
tel-00625953, version 1 - 23 Sep 2011
La prise des contraintes résiduelles thermiques (contraintes d’origine thermique dans les
fibres et la matrice) joue un rôle majeur dans le comportement des composites à matrices
céramiques. Leurs valeurs influencent fortement la contrainte de microfissuration de la
matrice. Dans cette thèse, on cherche donc à minimiser cette contrainte résiduelle thermique
(TRS) par une méthode d’optimisation de type métaheuristique: Particle Swarm Optimization
(PSO), Optimisation par essaims particulaires.
Des modèles éléments finis du volume élémentaire représentatif de composites 1-D
unidirectionnels C/SiC avec des interfaces multi-couches sont générés et une analyse par
éléments finis est réalisée afin de déterminer les contraintes résiduelles thermiques. Un
schéma d'optimisation couple l'algorithme PSO avec la MEF pour réduire