Thèse Prévision du Délaminage de Structures Composites Sous Exposition au Feu H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : ONERA - DMAS Département MAtériaux et Structures Direction de la thèse : Martin HIRSEKORN ORCID 0009000290170830 Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Les matériaux composites sont aujourd'hui utilisés pour réaliser des parties structurelles majeures d'aéronefs du fait de leurs meilleures propriétés mécaniques spécifiques et donc d'un gain notable sur le bilan de masse et sur la consommation de carburant. Relativement au risque « feu », les matériaux composites utilisés assurent une également une bien meilleure résistance au perçage par rapport à leurs prédécesseurs métalliques y compris pour de faibles épaisseurs, ce qui permet de prévenir toute pénétration de flamme à l'intérieur de la cabine pour une durée suffisante à l'évacuation en urgence des passagers. Néanmoins, le comportement des matériaux composites est considérablement plus complexe, avec des phénomènes physiques couplés faisant intervenir à la fois la phase solide du matériau et la phase gazeuse créée par la dégradation du composite et potentiellement inflammable.
Les travaux récents menés à l'Onera notamment dans le cadre de projets internes, nationaux ou européens concernant ont souligné l'importance de tenir compte de la réponse mécanique dans l'estimation de la réponse thermique et donc de la tenue au feu des matériaux composites stratifiés utilisés classiquement dans les structures aéronautiques. Pour cela, l'Onera propose une approche numérique de couplage de code entre ses solveurs thermique et mécanique. Le solveur thermique a pour mission de décrire la dégradation thermique du matériau suite à l'agression en température subie tandis que le solveur mécanique a pour mission de prévoir la dilatation thermique induite par cette température et la fissuration par délaminage conséquence de la montée en pression interne des gaz issus de la pyrolyse et du chargement mécanique induit par le gradient thermique. Bien que ces travaux démontrent l'importance de prendre en compte ces couplages pour la prévision de la réponse thermique, des travaux de recherche conséquents sont à mettre en oeuvre pour assurer la prévision de la tenue par ce type d'approche.
Les travaux de cette thèse ont pour objectifs de faire un lien entre les propriétés mécaniques et la dégradation thermique du matériau. Tout la difficulté de ces travaux sera de mettre en place des méthodes expérimentales et numériques pour la caractérisation en fonction de la température et de l'état du matériau du comportement thermo mécanique et de la résistance tant au niveau des plis que de l'interface. Pour cela, le candidat pourra s'appuyer sur une vaste campagne d'essai menée ces dernières années à l'Onera, des moyens de caractérisation matériau standards (DSC, ATG, dilatomètrie, essai mécanique en température) et des moyens ou bancs d'essai plus originaux mis en place à l'Onera (essai mécanique à chaud avec insertion de courant électrique, par impact laser ou en présence de flamme). Il s'agira alors dans un premier temps de proposer un modèle de comportement thermomécanique des plis et de l'interface tenant compte de l'évolution de la dégradation thermique de la résine et des fibres. Dans le cas où cette approche sera validée sur des essais à fort gradient thermique, il s'agira dans un second temps de mettre en place une approche de couplage de code pour simuler la réponse d'une plaque en matériau composite soumis à une flamme en couplant les solveurs aérothermique, thermique et mécanique de l'Onera.
Ces travaux seront menés en étroite collaboration avec le département de modèles pour l'aérodynamique et l'énergétique qui a développé les modèles de dégradations thermique pour ces matériaux et avec lequel le département composite travaille ces dernières années autour de cette problématique.
La modélisation du délaminage est clairement un verrou pour la tenue au feu des composites. Peu d'équipes [1] ont proposé des approches numériques pour traiter ce problème pourtant identifier depuis longtemps par les spécialistes du domaines [2], [3], [4], [5]. Des travaux à l'Onera se sont quant à eux pencher sur cette problématique soit pour essayer de caractériser les propriétés à l'interface [6], [7] et cela pour l'ensemble du spectre de température vu par le matériau lors de ces agressions au feu. Il ressort de ce travail que la ténacité de l'interface n'est pas autant dégradé qu'on aurait pu l'attendre mais c'est la propriété de la résistance qui chute énormément avec la température [6], [7]. Cette chute est telle, qu'elle souligne que les pressions internes induite par les gaz issus de la pyrolyse de la résine ne peuvent être considérées comme marginales [6]. C'est donc au travers de ce prisme que l'estimation des niveaux de contraintes ont été estimés dans les travaux de la convention PhyFire2 à l'aide d'une approche numérique couplée et partitionnée entre le code thermique de thermodégradation du solide MoDeTheC et celui de mécanique Zset [8]. Ces travaux ont montré la très forte dépendance de la modélisation du comportement thermomécanique sur la réponse thermique. En effet, l'estimation de la pression interne est intimement corrélée à l'expansion thermique du matériau puisqu'un facteur 5 peut être obtenu sur cette estimation suivant que l'hypothèse d'isochore est retenue ou pas. L'estimation de cette dilatation thermique, qui est par ailleurs un point dur pour assurer la fermeture des équations de conservation de l'énergie et de la masse dans le solveur thermique en charge de la thermodégradation des matériaux, n'est actuellement pas bien estimée et peu de travaux ce sont penchés avec le sérieux nécessaire [9], [10] sur l'estimation de l'évolution de cette quantité avec la dégradation de la résine.
Il ressort également de l'analyse bibliographique que malgré des travaux concernant essentiellement la problématique navale [11], [12], [13], [14] ou le génie civil [15] ; des travaux spécifiques aux matériaux composites utilisés en aéronautique sont maintenant de plus en plus présents [1], [4], [16], [17], [18], [19], [20] que ce soit pour les tissus ou les unidirectionnels, ou pour les matrices thermodures comme celles thermoplastiques. Dans tous les cas, le nombre de travaux autour de la problématique de la tenue au feu est un sujet en pleine expansion
Mettre en place une approche couplée pour l'estimation de la tenue au feu des composites

Master recherche ou grande école, spécialisation en simulations non linéaire éléments finis.
Bonnes connaissances de la mécanique de l'endommagement, de la méthode des éléments finis et intérêt pour le calcul multiphysique.