Optimization of composite structure considering the manufacturing process

• Auteur / Autrice : Moo Sun Kim
• Direction : Alain Vautrin, Woo Il Lee, Woo-Suck Han
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingéniérie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédés de fabrication

Fibres

Composites à fibres

Propriétés mécaniques

Composites

Résumé

In this study, optimization of mechanical properties of a composite material product manufactured by compression molding process was performed by considering the changes of fiber states. Fiber states, which changes by the compression molding process, are fiber volume fraction and fiber orientation. These fiber states lose their initial properties and show non-homogeneous and anisotropic properties due to the pressure and velocity field generated during compression process. To predict the fiber states changes during the compression molding process, fiber separation phenomenon and orientation were numerically considered by coupling them with flow analysis computed by CVFEM. Based on the fiber states information, the mechanical properties of chopped fiber composite were computed. Then they were applied to the plate type structure analysis. In the gross, numerical analysis of process and structure were coupled. In addition, the optimization of structural design and process condition was performed. Structural thickness and precharge location and dimension were considered as the design variables. At first, the Complex method was implemented for thickness optimization. The optimization results of two cases, where the compression process was considered in one case and homogeneous and isotropic material were considered in the other, are compared. To resolve the precharge location and dimension optimization problem, genetic algorithm was implemented. The constraints of design vectors and the characteristic of optimization problem divide search space into feasible search space and unfeasible search space. To handle the constraints of optimization problem, the penalty function method and modified repair algorithm were applied. By applying them to the test function, optimization procedures for these two methods were compared. The suggested techniques were applied to symmetric rectangular plate, car-hood type structure and arbitrary and asymmetric shape structure and the optimization results were compared.

Dans cette thèse, l’optimisation des propriétés mécaniques d’un matériau composite réalisé par moulage par compression a été réalisée en considérant l’évolution de la configuration des fibres durant le procédé. Ce changement de configuration concerne la fraction volumique de fibres et l’orientation de ces dernières. L’état des fibres initialement considéré comme homogène et isotrope peut devenir hétérogène et anisotrope à cause des caractéristiques du champ d’écoulement et la pression pendant le procédé. Afin de prévoir les changements de configuration durant le procédé, le phénomène de séparation des fibres ainsi que l’orientation de ces dernières ont été considérés numériquement par leur couplage avec l’analyse de l’écoulement réalisée par CVFEM. En se basant sur la configuration des fibres, les propriétés mécaniques des composites à fibres courtes ont été calculées. Delà, ces propriétés ont été utilisées pour le calcul de structure d’éléments de type plaque. Enfin, l’analyse numérique du procédé et l’analyse structurelle ont été couplées. De plus, une optimisation de la conception structurale et des conditions d’élaboration a été réalisée. L’épaisseur de la structure, la position et les dimensions de la précharge ont été retenues comme les variables de conception. Dans un premier temps, la méthode complexe a été utilisée pour l’optimisation de l’épaisseur. Les résultats d’optimisation de la plaque moulée par compression sont comparés avec ceux de la plaque considérée comme homogène et isotrope. Afin de résoudre le problème concernant les dimensions et la position de la précharge, un algorithme génétique a été implémenté. Les contraintes des vecteurs de conception et les caractéristiques du problème d’optimisation séparent l’espace de recherche en un espace de recherche valable et un espace de recherche non valable. Dans cette étude, la méthode de pénalité et une méthode de réparation modifiée sont retenues pour contrôler des solutions non valables. En les appliquant à une fonction test, les procédures d’optimisation pour ces deux méthodes ont été comparées. Les techniques suggérées dans cette étude ont été appliquées à une plaque rectangulaire symétrique, à la structure d’un capot de voiture et à une structure de forme arbitraire et dissymétrique et les résultats des optimisations ont été comparés.