Effect of voids in thick-walled pressure vessels : Experimental observations and numerical modelling

The topic of this thesis is the influence of voids on the mechanical properties of carbon fibre reinforced polymers used in high performance applications, such as pressure vessels for hydrogen storage. Manufactured through filament winding, these thick-walled structures can show a significant void content. The effect of these voids on the strength of pressure vessels and, more in general, on the strength of composite structures subjected to multiaxial loads, is not thoroughly understood. The work presented in this thesis is carried out in the context of an existing model of tensile failure of unidirectional composites developed at MINES ParisTech. The objective of the work presented here is to take into account additional factors, such as void content. X-ray tomography and optical microscopy observations are carried out to characterize voids in a carbon-epoxy pressure vessel. In another experimental study, mechanical tests are performed on carbon-epoxy specimens with different levels of void content. The influence of a biaxial load (longitudinal tension and through-thickness compression) is evaluated using a custom-designed experimental setup.At the microscopic scale, tests on notched epoxy specimens are carried out to investigate microscopic void growth and the mechanical behaviour of the resin under a multiaxial stress state. Finally, a numerical approach to modelling failure of a thick-walled cylinder is proposed in the framework of the multiscale fibre break model, taking into account the experimental observations.Dans cette thèse, on analyse l'effet de la porosité sur le comportement mécanique d'un matériau composite à fibres de carbone utilisé dans le cadre d'applications à hautes performances. Les réservoirs hyperbare destinés au stockage de l'hydrogène en sont un exemple. Du fait de leur fabrication par enroulement filamentaire, ces structures à parois épaisses présentent des taux de porosité parfois très élevés. La conséquence de telles porosités sur la durabilité des réservoirs et plus largement sur des structures composites chargées de manière multi-axiale est très peu documentée. Les travaux présentés ici s'inscrivent par ailleurs dans le développement d'un modèle existant à MINES ParisTech et ayant fait ses preuves pour prédire la résistance de composites unidirectionnels. Il s'agit ici de perfectionner ce modèle en intégrant de nouveaux facteurs comme les porosités. Des observations (tomographie aux rayons X et microscopie optique) d'un réservoir sont réalisées afin de caractériser les vides et leur distribution au sein de la structure. En parallèle, une étude expérimentale est conduite sur des éprouvettes à différents taux de porosité. La résistance de ces éprouvettes, chargées simultanément en traction longitudinale et compression transverse, est évaluée grace à un système expérimental spécialement conçu. A des échelles encore plus fines, des essais sont réalisés sur des échantillons d'époxy entaillés pour caractériser la croissance des cavités microscopiques et le comportement mécanique de la résine sous un état des contraintes multi-axial. Toutes ces données expérimentales sont ensuite exploitées et intégrées dans le modèle numérique afin de simuler le comportement à rupture d'un réservoir à parois épaisses