Soutenance mémoire
Point sur l’utilisation des véhicules GNV
Au cours de ces dernières années, on a assisté à une forte croissance de véhicules GNV (Gaz Naturel pour véhicules), notamment en Amérique latine et en Asie .
Les pays comme le Pakistan, l’Inde, le Brésil et l’Iran entre autres ont mené des politiques diverses motivées par des raisons économiques, politiques, environnementales et de sécurité énergétique qui ont permis leur essor dans ce secteur. On peut citer l’exemple du Pakistan qui est un des plus grands utilisateurs de véhicules GNV. En particulier, cette forte utilisation au Pakistan est soutenue par la volonté des autorités à réduire la pollution dans le transport mais également à réduire la pression sur les réserves de devises étrangères en raison du faible taux de change de la roupie pakistanaise et de la flambée des prix mondiaux du pétrole [53]. Parallèlement, le Pakistan dispose de grandes réserves de gaz leur permettant d’assurer une sécurité énergétique dans ce secteur des transports. L’Europe accuse un retard dans l’utilisation des véhicules GNV par rapport aux pays d’Asie et d’Amérique latine. Ce retard est dû, en partie, à la dépendance de la plupart des pays européens aux importations de gaz [25]. Néanmoins, l’augmentation des prix du pétrole et la volonté de réduire les émissions de gaz à effet de serre y ont entraîné une forte croissance du parc de véhicules GNV au cours de ces dernières années. Différentes mesures à la fois contraignantes et incitatives ont encouragé cette évolution. C’est le cas par exemple de l’Italie qui est le pays européen où les véhicules GNV sont les plus utilisés. En France, comme l’atteste l’IFP (Institut Français du Pétrole) dans son rapport » Le GNV : quel potentiel ? » publié en 2006 [55], la filière GNV connaît également un nouvel essor. Ces auteurs font un point sur les technologies actuelles des moteurs fonctionnant au gaz naturel et sur les évolutions possibles et présentent des résultats détaillés des bilans environnementaux comparés des filières essence, gazole et gaz pour véhicules.
Aspect environnemental
Comme en témoignent les différentes conférences annuelles depuis le protocole de Kyoto en 1995, le monde est de plus en plus préoccupé par les conséquences des changements climatiques et s’attèle à la réduction des émissions des gaz à effet de serre. Le monde du transport est sans doute l’un des secteurs les plus polluants, d’où la nécessité de trouver une alternative permettant de réduire de manière drastique les émissions de gaz à effet de serre. En effet, les émissions ne résultent pas uniquement de la combustion du carburant au bord des véhicules l’extraction du combustible, de leur acheminement jusqu’aux sites de transformation, de leur production et de leur distribution. Ainsi pour obtenir des résultats significatifs de réduction d’émissions de gaz à effet de serre, il est opportun d’explorer d’autres alternatives au niveau des sources d’énergie pour l’industrie du transport. Cette alternative peut être portée par le gaz naturel car il peut être un bon moyen pour, à la fois, réduire les émissions de CO2 sur toute la chaîne production et maintenir un haut degré de flexibilité technologique. Tout d’abord, l’émission de CO2 par unité d’énergie de combustion est beaucoup plus faible pour le gaz naturel (62.3g/MJ sur toute la chaîne de production du gaz naturel, 87.5g/MJ pour l’essence et 82.0g/MJ pour le diesel) [32]. Ensuite, le gaz naturel peut être substitué dans le temps par les biogaz et l’hydrogène sans qu’il ne soit nécessaire de modifier les moteurs de ces véhicules fonctionnant au gaz naturel. En ce qui concerne les polluants locaux, le gaz naturel présente également des avantages non négligeables. Il s’avère être plus efficace que l’essence et le diesel relativement aux émissions de particules, de SOx (oxyde de soufre) et de NOx (oxyde d’azote)… Il est également plus intéressant que l’essence pour les émissions d’HC (hydrocarbure), bien que le diesel soit légèrement mieux positionné [55].
Aspect Législatif et réglementaire
Pour favoriser le développement du GNV, des mesures incitatives sont mises en place, notamment en Europe. Ces mesures se présentent sous forme de réduction des taxes sur le gaz naturel, sous forme de bonus. A côté de ces politiques incitatives, il y a une réglementation de plus en plus sévère vis-à-vis des émissions de gaz à effet de serre. Au niveau européen, plusieurs normes (Euro 0, Euro 1, Euro 2, Euro 3, Euro 4, Euro 5 et bientôt Euro 6) imposent un abaissement drastique des seuils d’émissions de polluants locaux des véhicules terrestres. Ces normes contraignent les constructeurs à adapter les motorisations des véhicules à usage de produits pétroliers. Toutes ces contraintes favorisent, à terme, la croissance du parc de véhicules GNV. A cela s’ajoute l’augmentation continue des prix du pétrole.
Objectifs industriels du projet
Sur le plan industriel, le projet est motivé, en plus des raisons environnementales, par une volonté d’améliorer la fiabilité et la sécurité des réservoirs et d’accroître l’autonomie des véhicules (400 à 500km). A travers ce projet, on cherche à :
– développer une nouvelle chaîne de détente du gaz pour améliorer la fonction détente et réduire la pression sous caisse du véhicule ;
– développer une nouvelle connectique HP (haute pression), MP (moyenne pression) et BP (basse pression)) constituant le système d’alimentation en gaz du véhicule ;
– avoir une autonomie considérablement accrue par l’emploi d’un stockage polymorphe ; – mettre en place une méthodologie d’analyse des conditions de tressage et de conception des préformes des réservoirs ;
– réaliser des réservoirs capables de résister aux pressions de service de 260 bars;
– et éventuellement envisager une pré industrialisation sur une plateforme au potentiel industriel affirmé.
Pour parvenir à une partie de ces exigences, en particulier les exigences mécaniques, une forme polymorphe de réservoir est pressentie. Ces réservoirs polymorphes sont constitués d’une préforme fibrée réalisée par un tressage 3D et consolidée par voie RTM. Le choix de ces matériaux textiles est motivé par le souci d’une distribution moins déséquilibrée des propriétés mécaniques suivant les directions principales du matériau et par leurs caractéristiques mécaniques intéressantes (limitation du délaminage, résistance élevée aux choc et à la fatigue,..).
Matériaux d’étude
Généralités sur les composites textiles
Les structures étudiées sont réalisées en matériau composite textile. L’appellation de composite textile vient du procédé d’obtention du renfort (tissage, tressage, tricotage ou couture). Une description assez exhaustive de ces types de composites est réalisée par certains auteurs dont Hage [30], Byun et al. [14] pour ne citer que ces deux travaux. Ces composites sont souvent classifiés en fonction de la nature de leur matrice qui peut être organique, métallique ou céramique et en fonction de l’architechture de leurs renforts. Selon l’architecture des renforts, il y a principalement deux types de composites textiles : les bidimensionnels (2D) et les tridimensionnels (3D).
– Les textiles bidimensionnels :
Les composites textiles qualifiés de composites 2D sont ceux dont les torons sont disposés dans le plan. Par définition, les torons sont des assemblages de fibres qui sont entrelacés entre eux pour créer le renfort du composite. Le renfort est également appelé la préforme. Le plus souvent, les torons sont orientés suivant deux directions : il s’agit principalement de certains tissus 2D (satin, taffetas, sergé…), des tricotés 2D et de la plupart des tressés 2D. Toutefois, il existe des composites textiles 2D dont les torons sont orientés suivant trois directions comme les tressés et tissus triaxiaux.
– Les textiles tridimensionnels :
A l’opposé des textiles 2D, les renforts pour ces textiles sont disposés suivant les trois directions x, y et z. Pour les composites tressés 3D étudiés, la troisième composante hors plan permet de renforcer la résistance du composite suivant l’épaisseur. En général, on retrouve les mêmes techniques de mise en forme aussi bien pour les renforts 2D que pour les renforts 3D (tissage, tressage et tricotage). En plus, on rencontre des renforts textiles tridimensionnels dits cousus. Les renforts 3D ont donc des couches d’épaisseurs plus importantes car elles sont constituées de plis superposés et liés entre eux par les torons hors axe. Cette caractéristique permet de limiter les phénomènes de délaminage et de mieux résister à la fatigue et aux chocs.
Composite tressé 3D en fibres de verre
Elaboration
Plusieurs matériaux ont été étudiés, notamment dans la partie caractérisation mécanique mais le principal matériau d’étude qui est à la base de cette thèse est un composite tressé 3D en fibres de verre. Le renfort, constitué de torons tressés suivant trois directions de l’espace, est élaboré à l’aide d’une machine tresseuse (FIG. 2.12). En effet, certains torons appelés torons axiaux sont orientés à 0° alors que d’autres torons appelés torons hors axes sont orientés à 45° et à -45°. Une couche du renfort est constituée de cinq plis superposés et liés entre eux par les torons hors axes. Ces derniers s’entrelacent les uns après les autres autour des torons axiaux pour assurer cette liaison et conférer au composite une résistance mécanique hors plan plus élevée par rapport aux autres types de composites stratifiés ou textiles bidimensionnels. Cet entrelacement est obtenu grâce à un mouvement rotatif suivant deux sens opposés des bobines disposées en avant de la tresseuse et sur lesquelles sont enroulées des fibres. Enfin, le tressage se fait autour d’un mandrin représentant la maquette de la pièce à fabriquer : il s’agira d’un liner pour le cas d’un réservoir.
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Table des matières
1 Introduction générale
2 Contexte et Matériaux d’étude
2.1 Contexte industriel
2.1.1 Point sur l’utilisation des véhicules GNV
2.1.2 Aspect environnemental
2.1.3 Aspect Législatif et réglementaire
2.1.4 Objectifs industriels du projet
2.2 Matériaux d’étude
2.2.1 Généralités sur les composites textiles
2.2.2 Composite tressé 3D en fibres de verre
2.2.2.1 Elaboration
2.2.2.2 Microstructure
2.2.2.3 Taux de fibres
2.2.3 Composites en fibres de carbone
3 Etude expérimentale du comportement mécanique
3.1 Comportement élastique linéaire des composites textiles
3.2 Identification des propriétés mécaniques
3.2.1 Caractérisation du composite tressé 3D en fibres de verre
3.2.1.1 Essais de traction
3.2.1.2 Essais de compression
3.2.1.3 Essais de flexion sur appuis rapprochés
3.2.1.4 Identification de la matrice de rigidité
3.2.2 Caractérisation des composites en fibres de carbone
3.3 Conclusion
4 Etude expérimentale de l’endommagement
4.1 Introduction : Définition des mécanismes d’endommagement observés
4.2 Procédure expérimentale d’analyse des mécanismes d’endommagement
4.2.1 Diagnostic des éprouvettes endommagées
4.2.2 Suivi de l’endommagement par une analyse optique in situe : utilisation d’une caméra
4.2.3 Suivi de l’endommagement par émission acoustique
4.3 Conclusion
5 Modèle prédictif du comportement d’un composite tressé 3D
5.1 Approche générale et cadre de l’étude
5.1.1 Modélisation des composites textiles : revue bibliographique
5.1.1.1 Modèles analytiques
5.1.1.2 Modèles numériques
5.1.2 Technique d’homogénéisation
5.2 Prédiction des propriétés des torons : Homogénéisation à l’échelle microscopique
5.2.1 Approche analytique
5.2.2 Volumes extraits de la microstructure : Essais numériques
5.2.3 Homogénéisation périodique
5.2.4 Corrélation des résultats
5.3 Prédiction des propriétés effectives du composite tressé 3D : homogénéisation à l’échelle mésoscopique
5.3.1 Procédure d’identification du modèle de prédiction
5.3.1.1 Choix de la cellule de base
5.3.1.2 Modélisation géométrique de la cellule de base
5.3.1.3 Maillage périodique de la cellule de base
5.3.1.4 Prise en compte de l’anisotropie du matériau
5.3.1.5 Identification des propriétés élastiques
5.3.2 Etude de l’influence des angles de tressage
5.3.2.1 Motivations et description des configurations étudiées
5.3.2.2 Evolution des propriétés en fonction des angles de tressage
5.4 Conclusion
6 Prédiction par une analyse multiéchelle des propriétés mécaniques du matériau endommagé
6.1 Définition du cadre de l’étude
6.2 Processus d’introduction des défauts
6.2.1 Principe
6.2.2 Modélisation des fissurations transversales et des décohésions
6.3 Analyse de l’influence de l’endommagement sur les propriétés mécaniques
6.3.1 Hypothèses
6.3.2 Influence des fissurations transversales
6.3.3 Influence des décohésions
6.3.4 Corrélation avec un essai de traction uniaxiale
6.4 Conclusion
7 Application aux réservoirs multiformes
7.1 Description de la démarche de dimensionnement des réservoirs
7.2 Validation des réservoirs bobinés
7.2.1 Analyse numérique
7.2.2 Analyse expérimentale : Corrélation avec les résultats numériques
7.3 Validation des réservoirs multiformes tressés
7.3.1 Description des réservoirs et de l’étude
7.3.2 Résolution et Analyse des résultats
7.4 Conclusion
8 Conclusion générale
