• Langue : Français
• Discipline : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Identifiant : 2025ULILN039
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 12/12/2025

Résumé en langue originale

Les matériaux composites, connus pour leur rapport performance mécanique/masse très intéressant, sont de plus en plus utilisés en aéronautique et défense. Lors de leur fonctionnement, les aéronefs commerciaux sont exposés à divers risques d'impacts. C'est le cas des collisions aviaires qui peuvent survenir sur les bords d'attaque, l'empennage ou le radome. Cette dernière partie, abritant les instruments de navigation, ne peut être constituée de n'importe quel type de matériaux. Les matériaux auxétiques, à coefficient de Poisson négatif, offrent un potentiel prometteur en résistance aux impacts grâce à leur capacité à se densifier lors d'une sollicitation en compression, améliorant ainsi leur résistance à l'indentation et leur capacité d'absorption d'énergie. Bien que souvent étudiés via des mousses ou des matériaux métalliques imprimés en 3D, leur transfert vers des composites renforcés par des fibres de para-aramide pourrait exploiter les synergies en absorption d'énergie. Cette étude inclut la conception et la fabrication d'échantillons, la définition d'un essai de caractérisation et le développement de modèles numériques pour mieux comprendre leur comportement mécanique.La partie élaboration des travaux repose sur une étude de transférabilité d'une structure auxétique vers un composite. Cela implique un travail multi-échelle faisant intervenir toutes les étapes de la chaine de production textile. Un fil architecturé est conçu pour permettre le tissage d'un « préimprégné thermoplastique ». Une armure permettant l'obtention d'une géométrie auxétique est développée pour permettre le tissage en forme. Un montage de thermocompression dédié est mis au point pour permettre la consolidation du renfort en un matériau composite. Enfin, la vérification de la géométrie est faite à travers une analyse profilométrique.La caractérisation de la réponse du composite produit nécessite la définition d'un protocole expérimental dédié en raison de la complexité du matériau et des limites d'applicabilité des méthodes d'observation proposées dans la littérature. La sollicitation de traction est privilégiée pour exploiter une large zone d'observation par stéréo-corrélation d'images numériques, permettant d'obtenir les champs de déplacement de l'éprouvette dans les trois directions de l'espace, ceci afin de faciliter la validation du futur modèle numérique. Cette méthode d'instrumentation particulièrement riche améliore notre compréhension des phénomènes de déformation mis en jeux pour une cellule auxétique seule et plusieurs cellules.Cette partie expérimentale est finalement associée à une étude numérique. Un modèle par éléments finis de la structure composite idéalisée est élaboré à partir des observations géométriques et profilométriques des échantillons produits. Cette représentation de la structure permet d'étudier ce vers quoi un composite auxétique de qualité aéronautique pourrait tendre. Le modèle est recalé de manière satisfaisante par rapport aux observations expérimentales et à sa caractérisation mécanique en traction. Pour revenir à la problématique d'impact aéronautique, l'objectif sous-jacent est d'étudier le comportement de la structure en compression hors-plan numériquement. Par ailleurs, ce modèle permet aussi d'étudier numériquement le comportement en dynamique de cette structure composite pour situer sa performance face aux solutions techniques déjà utilisées.

Résumé traduit

Composite materials, known for their excellent strength-to-weight ratio, are increasingly employed in aerospace and defense applications. During service, commercial aircraft are exposed to various impact threats, such as bird strikes, which may occur on leading edges, tail sections, or radomes. The latter, housing sensitive navigation instruments, imposes stringent material requirements that limit the choice of structural solutions.Auxetic materials, characterized by a negative Poisson's ratio, offer a promising potential for impact resistance due to their ability to densify under compressive loading, thereby enhancing indentation resistance and energy absorption capacity. Although auxetic behavior has been widely studied in foams and metallic lattices fabricated by additive manufacturing, transferring these architectures to fiber-reinforced composites, particularly those based on para-aramid fibers, could exploit synergistic mechanisms of energy dissipation.This research encompasses the design and manufacturing of auxetic composite specimens, the definition of a dedicated mechanical characterization test, and the development of numerical models to gain deeper insight into their mechanical behavior.The elaboration stage focuses on assessing the transferability of an auxetic architecture into a composite material. This multi-scale approach integrates all stages of the textile production chain. An architectured yarn was designed to enable the weaving of a thermoplastic “prepreg” structure. A dedicated weaving pattern was developed to generate the auxetic geometry in shape-forming conditions. Subsequently, a custom thermocompression setup was conceived to consolidate the woven reinforcement into a composite material. The resulting geometry was verified through profilometric analysis.The mechanical characterization of the produced composite required the establishment of a specific experimental protocol, given the material's architectural complexity and the limitations of conventional observation methods reported in the literature. Tensile loading was selected to provide an extensive observation area suitable for stereo digital image correlation measurements. This technique allowed the acquisition of full-field displacement data in all three spatial directions, this in order to facilitate the validation of the future numerical model. Such a rich experimental instrumentation significantly enhanced the understanding of deformation mechanisms occurring within both single and multiple auxetic shaped cells.Finally, this experimental investigation was complemented by a numerical study. A finite element model of the idealized composite structure was developed based on the geometric and profilometric observations of the manufactured specimens. This representation serves to explore what an aerospace-grade auxetic composite could achieve. The model was successfully calibrated against the experimental tensile results and associated mechanical response. To address the specific case of aeronautical impact scenarios, the model was extended to study the out-of-plane compressive behavior under dynamic loading. Moreover, it enabled numerical comparisons of the auxetic composite's dynamic response with that of existing technical solutions, thereby positioning its performance within the broader context of impact-resistant materials for aeronautical applications.