Approches hyperélastiques pour la modélisation du comportement mécanique de préformes tissées de composites

Hyperelastic approaches to model the mechanical behaviour of woven preforms of composites

• Auteur / Autrice : Adrien Charmetant
• Direction : Philippe Boisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux composites
• Date : Soutenance le 13/12/2011
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ladeveze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Boisse, Pierre Ladeveze, Mathias Brieu, Stepan Lomov, Stéphane Otin, François Sidoroff, Angela Madeo, Emmanuelle Vidal-sallé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathias Brieu, Stepan Lomov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Déformations (mécanique)

Matériaux -- Comportement

Matières plastiques renforcées avec des fibres

Composites

Mots clés libres

Matériau composite

Renfort tissé

Matrice polymère

Mise en forme

Comportement mécanique

Approche macroscopique

Approche mésoscopique

Comportement hyperélastique

Grande transformation

Méthode des éléments finis

Composite Material

Woven reinforcement

Polymer matrix

Shaping

Mechanical behaviour

Hyperelastic behaviour

Macroscopic approach

Mesoscopic approach

Finite transformation

Finite element method

Résumé

La simulation des procédés de mise en forme des composites à renforts tissés de type RTM est un enjeu majeur pour les industries de pointe mettant en œuvre ce type de matériaux. Au cours de ces procédés, la préforme tissée est souvent soumise à des déformations importantes. La connaissance et la simulation du comportement mécanique de la préforme à l’échelle macroscopique et à l’échelle mésoscopique s’avère souvent nécessaire pour optimiser la phase de conception de pièces composites formées par de tels procédés. Une analyse du comportement mésoscopique des préformes tissées de composites est d’abord proposée. Une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse est développée, permettant de décrire le comportement mécanique de chacun des modes de déformation de la mèche : élongation dans la direction des fibres, compaction et distorsion dans le plan d’isotropie de la mèche, cisaillement le long des fibres. Une méthodologie est proposée pour identifier les paramètres de cette loi de comportement à l’aide d’essais sur la mèche et sur le tissu, et une validation par comparaison avec des essais expérimentaux est présentée. Une analyse du comportement macroscopique des renforts interlocks est ensuite proposée : une loi de comportement hyperélastique orthotrope est développée et implémentée. Cette loi, extension de la loi de comportement pour la mèche, est également basée sur une description phénoménologique des modes de déformation de la préforme. Une méthode d’identification des paramètres de cette loi de comportement est mise en œuvre, utilisant des essais expérimentaux classiques dans le contexte des renforts tissés (tension uniaxiale, compression, bias extension test, flexion). Cette seconde loi de comportement est validée par comparaison avec des essais de flexion et d’emboutissage hémisphérique.

Simulating the preforming stage of RTM-like fabric-reinforced composites manufactoring processes is a major stake for industries which use such materials. During such processes, the woven preform often undergoes finite deformations. Simulation methods are then required to optimize the conception of composites parts formed by RTM. An analysis of the mechanical behaviour of woven preforms at mesoscale is first presented. A transversely isotropic hyperelastic behaviour law is developped in order to describe the mechanical behaviour of each deformation mode of the yarn : elongation in the direction of fibres, compaction and distorsion in the transverse plane and along-fibres shear. An identification method is set up for this behaviour law which allows to compute its parameters by use of simple experimental tests on the yarn and on the fabric. The behaviour law is then validated by comparizon between simulations ans experimental tests. An analysis of the mechanical behaviour of interlock woven preforms at macroscale is the presented. An orthotropic hyperelastic behaviour law is developped and implemented as an extension of the behaviour law for the yarn. A phenomenological approach is also used to describe the mechanical behaviour of each deformation mode of the preform. An identification method is set up and put into place, based on tests well known in the field of fabric reinforcements : tensile test, crushing test, bias extension test, flexure test. A hemispherical stamping simulation is set up and compared to experiment for validation purpose.