Étude et modélisation de l'orientation de fibres dans des thermoplastiques renforcés

Study and modeling of the orientation of fibers in reinforced thermoplastics

• Auteur / Autrice : Alexandra Megally
• Direction : Thierry Coupez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites thermoplastiques

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Modèle de Comportement

Interaction entre particules

Approximation de fermeture

Rhéologie des suspensions

Equation Folgar & Tucker

Simulation Numérique Directe

Eléments Finis

Orientation de fibres

Composite renforcé de fibres

Ecoulement diphasique fluide-particules

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude et la modélisation de l'orientation de fibres de verre dans des thermoplastiques renforcés. Dans une optique de maîtrise et de compréhension du comportement des composites renforcés de fibres longues, nous proposons dans ce travail d'étudier les phénomènes d'orientation et la rhéologie de ces suspensions. Une approche expérimentale a permis de caractériser l'orientation et la structure des fibres dans des pièces injectées. L'analyse de la distribution de longueur des fibres dans une pièce a mis en évidence que la casse des fibres se faisait préférentiellement durant la phase de la plastification de la matière. Les mesures d'orientation, réalisées avec des techniques de mesure 2D et 3D montrent que la concentration en fibres est un paramètre déterminant sur la formation et les caractéristiques de la structure coeur-peau. Une approche numérique de modélisation de l'orientation des fibres dans des pièces injectées, basée sur le calcul direct du mouvement d'orientation d'une population de fibres en écoulement, a permis d'accéder à la physique intrinsèque de la suspension. Ce modèle repose sur une formulation éléments finis multi- domaine développée dans le cadre du logiciel Rem3D. La principale originalité du modèle est qu'il n'est pas nécessaire d'exprimer de manière explicite l'ensemble des forces et interactions hydrodynamiques régissant le système. Lorsqu'on applique un cisaillement simple à un volume élémentaire représentatif, le calcul de simulation directe nous permet d'étudier les phénomènes d'interaction entre particules en fonction de la concentration et du rapport de forme des fibres. Ainsi, nous proposons une méthode d'identification du coefficient d'interaction Ci , paramètre déterminant du modèle statistique de Folgar & Tucker. Les valeurs de Ci sont fonction du rapport de forme et de la concentration des particules. On s'intéresse d'autre part à la validité des approximations de fermeture. On montre que l'approximation hybride est satisfaisante dans le cas d'un écoulement de cisaillement simple. Enfin, ce modèle est appliqué à l'étude rhéologique d'une suspension de fibres.

This thesis is devoted to the study and the modelling of long glass fiber in thermoplastic reinforced component. In order to understand the behaviour of long glass fiber composite, we propose in this work to study the orientation phenomena and the rheology of these suspensions. With an experimental approach, one has characterized fiber orientations and arrangements in a thermoplastic component. Fiber length distribution analysis has shown that fiber breakage was done mainly during plastification process. Orientation measurements, performed with 2D and 3D procedures show that fiber concentration is a key parameter driven the skin-core structure. We propose a numerical tool to compute directly the motion of dense population of fibers in a flow by using a multidomain approach and finite element method (thanks to Rem3D software). The main novelty of this approach is that the particules-fluid interaction are directly taken into account and it is not necessary to express explicitly short and large range hydrodynamic forces. Direct numerical computations with a large number of fibers are performed and give macroscopic informations on fiber suspensions. In this way, one can determine the evolution of Folgar & Tucker diffusion constant, Ci, and check the validity of closure approximation in a Newtonian shear flow: the Ci coefficient is a function of the aspect ratio and the fiber concentration; the hybrid closure approximation gives the best approximation of fourth order orientation tensor. Finally, this approach is applied to analyse rheological properties of fiber suspensions.