Mesure et modélisation des phénomènes de retraits anisotropes dans les matériaux composites durant leur mise en forme

• Auteur / Autrice : Mael Péron
• Direction : Steven Le Corre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés, thermique
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermocinétique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Battaglia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Steven Le Corre, Jean-Luc Battaglia, Philippe Olivier, Michel Quintard, Michel Bellet, Nicolas Boyard, Frédéric Jacquemin, Vincent Sobotka
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Olivier, Michel Quintard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dilatation (thermodynamique)

Anisotropie

Composites thermodurcissables

Composites

Résumé

La prédiction des formes et des propriétés finales de pièces composites nécessite le recours à une modélisation fine du comportement thermo-chémo-mécanique de la matière. Pour alimenter ces modèles, on peut soit estimer les propriétés du matériau composite à partir de celles des constituants, soit mesurer directement les propriétés du matériau. Dans un premier temps, un modèle multiphysique du dispositif de caractérisation des résines thermodurcissables PvTα a été développé. Il a été validé à l'aide d'essais expérimentaux et a permis de montrer l'importance des gradients de température et d'avancement lors de la caractérisation expérimentale du module de compressibilité de la résine. Ensuite, la méthode d'homogénéisation par développements asymptotiques a permis la modélisation des transferts thermiques durant la mise en forme des matériaux composites. L'homogénéisabilité du problème a été discutée. Appliquée à un modèle élastique, cette méthode a permis d'estimer les tenseurs de dilatation thermique et de retrait chimique, ainsi que l'évolution des propriétés mécaniques d'un matériau durant sa transformation. Le couplage entre les différentes physiques a également été réalisé, permettant de prédire les déformations d'une pièce durant sa mise en forme. Finalement, un nouveau dispositif de caractérisation a été développé. Il permet la mesure des dilatations du matériau suivant deux directions simultanées durant toute sa transformation. Les résultats qui en sont issus sont en accord à la fois avec des mesures réalisées sur d'autres dispositifs et les résultats issus de la méthode d'homogénéisation.

A fine thermo-chemo-mechanical modeling of the material behavior is necessary in order to predict composite parts final shape and properties. There are two options in order to feed these models: estimating the material effective properties thanks to the properties of its constituents, or directly measuring the composite material properties. At first, a multiphysics model of the thermosetting resins characterization device called PvTα was developed. It was validated compared to experimental results and suggested that temperature and degree of cure gradients had to be taken into account when measuring the resin bulk modulus. Then, asymptotic expansion homogenization method was used to model the heat transfers during the cure of composite materials. The upscaling possibility was discussed. This method was then applied to a linear elasticity model, allowing to estimate thermal expansion and chemical shrinkage tensors, as well as the mechanical properties evolution of a unidirectional material during cure. The coupling of these different physics was performed, leading to the prediction of the deformation of a part during cure. Finally, a new characterization device was developed. It allows for the simultaneous recording of the material deformations along two different directions, as well as the degree of cure and temperature. The first results are very promising and validated compared to other measurements and to numerical results from the homogenization method.