Modélisation et simulation multi-échelles des contraintes d'élaboration et de service dans les matériaux composites

Multi-scale modelisation and simulation of processand service stresses in composite materials

• Auteur / Autrice : Emmanuel Lacoste
• Direction : Frédéric Jacquemin, Sylvain Freour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques - Centrale Nantes (1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Composites

Analyse multiéchelle

Résumé

Dans cette thèse, les méthodes multi-echelles ont été utilisées afin de décrire le comportement d’un matériau composite à matrice organique, composé de bandes de renforts unidirectionnelles orientées aléatoirement dans le plan du pli. Une approche à champ moyen (modèles de Mori-Tanaka et autocoherent) a permis de calculer les propriétés mécaniques du composite via une procédure en deux étapes. Les difficultés liées a la coexistence dans le matériau de plusieurs morphologies d’inclusions ont été levées via a une généralisation du modèle autocohérent. Ce modèle a aussi permis de calculer les contraintes locales de service dans le composite. Les contraintes dans les bandes UD ont également été calculées via une approche à champ complet périodique utilisant les éléments finis, montrant ainsi les avantages et les limites des approches à champs moyens. En s’appuyant sur une description du comportement de la résine selon la température et le degré de réticulation, l'évolution des propriétés du composite et des contraintes résiduelles locales (dues au retrait thermochimique de la résine) a pu être déterminée tout au long du cycle de fabrication, pour différentes contraintes appliquées au composite. La problématique des déformations résiduelles de fabrication des pièces composites a également été abordée, en se focalisant notamment sur le phénomène de retrait angulaire des équerres du à l’anisotropie du matériau. Les éléments finis ont permis de simuler ce retrait ainsi que les interactions moule-piece, en tenant compte de l'évolution des propriétés mécaniques de l'équerre. La possibilité d’utiliser un moule composite pour cuire des pièces composites a également été évaluée

In this thesis, multi-scale methods were used in order to describe the behaviour of an organic-matrix composite material, made of unidirectional reinforcing strips randomly disposed in the layout. The mean-field approach (Mori-Tanaka and self-consistent models) allowed us to forecast the mechanical properties of the composite via a two-steps procedure. The difficulties linked to the coexistence in the material of several morphologies of inclusions were overtaken with a more general formulation of the self-consistent model. This model also allowed us to estimate the local service stresses in the composite. Those stresses in the UD strips were also computed with a periodic full-field approach, using the finite elements, which highlighted the advantages and limits of the mean-field approaches. Relying on a description of the resin’s behaviour as a function of temperature and reticulation degree, the evolutions of the composite’s properties and local residual stresses (created by the thermochemical shrinkage of the resin) along the fabrication process could be determined, for several constraints applied to the composite. The problematic of the residual distortions of composite parts was also addressed, focusing on the effect of angle spring-in in L-shaped parts yielded by the material anisotropy. The finite elements allowed us to simulate this spring-in and also the mould-part interactions, accounting for the evolutions of the mechanical properties during the cure process. The opportunity of using a composite mould to cure composite parts was also evaluated