Modelisation of composite materials with complex microstructures : Study of effective properties with homogenization methods

Ce mémoire aborde les questions relatives à la mise en place de procédures de conception rapide, fiable et automatisée des volumes élémentaires représentatifs (VER) d’un matériau composite à microstructure complexe (matrice/inclusions), et de la détermination de leurs propriétés homogénéisées ou effectives. Nous avons conçu et développé des algorithmes conduisant à des outils efficaces permettant la génération aléatoire de tels matériaux à inclusions sphériques, cylindriques, elliptiques ou toute combinaison de celles-ci. Ces outils sont également capables d’altérer les inclusions : inflation, déflation, arrachements aléatoires, ondulation et de les pelliculer permettant ainsi de générer des VER s’approchant des matériaux composites fabriqués. Un soin particulier a été porté sur la génération de VER périodiques. Les caractéristiques homogénéisées ou propriétés effectives de matériaux constitués de tels VER périodiques peuvent alors être déterminées selon le principe d’homogénéisation périodique, soit par une méthode basée sur un schéma itératif utilisant la FFT (Transformation de Fourier Rapide) via l’équation de Lippmann-Schwinger, soit par une méthode d’éléments finis. Le caractère aléatoire de la génération nous amène à réaliser des études en moyenne à partir d’un ensemble de paramètres morphologiques déterminé : nombre d’inclusions, type et forme, fraction volumique, orientation des inclusions, prise en compte d’une éventuelle altération. Deux études particulières sur la conductivité thermique apparente ont été menées, la première sur les composites à inclusions sphériques pelliculées de façon à déterminer l’influence de l’épaisseur de la pellicule et la seconde sur les composites de type stratifié en polymère et fibre de carbone, cousu par un fil de cuivre pour évaluer l'apport de la couture en cuivre selon la fibre de carbone utilisée.This thesis focuses on setting up of fast, reliable and automated approaches to design representative volume elements (RVE) of composite materials with complex microstructures (matrix/inclusions) and the evaluation of their effective properties via a homogenization process. We developed algorithms and efficient tools for the random generation of such materials. Inclusions shapes may be spherical, cylindrical, elliptical or any combinations of them. Inflation, deflation, dislocation, undulation and coating are also available to generate RVE. The aim is to approach realistic materials subjected to be damaged during production. Particular attention has been focused on the periodic RVE generation.The homogenized characteristics or effective properties of materials formed from such periodic RVE may then be determined according to the principle of periodic homogenization, by an iterative scheme using FFT (Fast Fourier Transform) via the integral Lippmann-Schwinger or by a finite elements method.The stochastic generation of RVE and the set of morphological parameters studied: number of inclusions, type and shape, volume fraction, orientation of the inclusions lead to achieve an average process. Moreover, a special study has been led to take into account the behavior of altered inclusions. Furthermore, we studied two particular cases on the apparent thermal conductivity of the composite, the first for coated spherical inclusions in order to determine the influence of the layer thickness and the second for laminated polymer and carbon fiber composite sewn by a copper wire, in order to determine the influence of the sewing contribution according to the carbon fiber used