Experimental and numerical study of the bending behaviour of textile reinforcements and thermoplastic prepregs

par Biao Liang

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil

Sous la direction de Philippe Boisse.

Le président du jury était Caroline Richard.

Le jury était composé de Philippe Boisse, Caroline Richard, Christophe Binetruy, Christian Hochard, Julien Colmars, Nathalie Godin, Olivier Polit.

Les rapporteurs étaient Christophe Binetruy, Christian Hochard.

  • Titre traduit

    Etude expérimentale et numérique du comportement en flexion des renforts textiles et préimprégnés thermoplastiques


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l'étude du comportement en flexion des renforts textiles et préimprégnés thermoplastiques par des méthodes expérimentales et numériques. Pour préimprégnés thermoplastique, aux températures élevées, la résine est à l'état fondu, et un glissement entre les fibres est possible. En conséquence la rigidité de flexion n'est pas directement liée au module de rigidité de traction dans le plan comme c'est le cas pour les matériaux continus classiques. Par conséquent, il est nécessaire de mesurer sa valeur par l'expérience. Un procédé de test de la rigidité à la flexion a été proposée pour les préimprégnés thermoplastiques. Il est réalisé dans une enceinte thermique. Une caméra CCD a été utilisé pour acquérir le profil de la déformation de flexion à différentes températures élevées en particulier au voisinnage du point de fusion. Le moment de flexion et la courbure ont été calculés le long de la ligne médiane de la profil de la déformation. La pente de la courbe moment-courbure est la rigidité à la flexion. Avec cette méthode, des essais de flexion ont été effectués sur plusieurs préimprégnés thermoplastiques. Pour simuler la déformation de flexion de matériaux fibreux épais, un élément de coque spécifique a été développée. Cet élément est constitué de segments de fibres continues. La rigidité de traction et de flexion de la fibre ont été prise en compte de dans l'énergie de deformation de cet élément. La forme curviligne locale a été construit pour tout segment de fibre a partir des voisins. Il a été utilisé pour caractériser les déformations de traction et de flexion pour le segment de la fibre. Plusieurs tests de simulation de flexion ont été réalisées avec cet élément de coque spécifique et ont été comparés avec les résultats expérimentaux pour montrer l'efficacité de cet élément proposé. Les résultats montrent cet élément de coque spécifique a une bonne capacité à simuler la déformation en flexion des matériaux fibreux épais.


  • Résumé

    This thesis is devoted to study the bending behaviour of textile reinforcements and thermoplastic prepregs by the experimental and numerical methods. At the high temperature, since the resin is melted, fibers would have the slippage between them, resulting the bending stiffness of thermoplastic prepreg is not directly related to its in-plane tensile modulus as the conventional continuous materials. Consequently, it's necessary to measure its value by the experimental method. A bending stiffness test approach was proposed for thermoplastic prepreg at elevated temperature. It was operated in an environmental chamber and a CCD camera was used to acquire the bending deflection shape. Bending moment and curvature were calculated along the midline of bending deflection shape. The slope of moment-curvature curve is the bending stiffness. With this method, bending tests were conducted for several types of thermoplastic prepregs at a range of high temperatures. In order to simulate the bending deformation of thick fibrous materials, a specific shell element was developed. This element was made of continuous fiber segments. Both the tensile and bending stiffnesses of fibers were taken into account. Local curve was constructed for any fiber segment and its two neighbors, which was used to characterize the tensile and bending deformations of fiber segment. Several bending simulation tests were performed with this specific shell element and were compared with the experimental results to show its efficiency. The results show this specific shell element has good capability to simulate the bending deformation of thick fibrous materials.

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