Numerical and experimental forming analyses of textile composite reiforcements based on a hypoelastic behaviour

• Auteur / Autrice : Muhammad Aurangzeb Khan
• Direction : Philippe Boisse, Tarek Mabrouki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Référenciation

Thermoplastiques

Fibres textiles

Simulation par ordinateur

Mécanique appliquée

Résumé

Le travail présenté dans le cadre de cette thèse concerne la mise en forme des renforts tissés avant injection de la résine. L'objectif étant de déterminer des critères de faisabilité et aussi de prédire la position des fibres après formage. Cela permettra de dimensionner convenablement les pièces composites en service. Pour cela, deux approches ont été abordées dans cette contribution. La première, concerne l'élaboration d'un algorithme numérique basée sur une loi hypoélastique traduisant le comportement d'un milieu fibreux lors d'une opération de préformage. Cette formulation a été programmée via une routine utilisateur au sein du code de calcul élément finis ABAQUS/Explicit. En outre, elle a été validée par des essais numériques élémentaires et qui ont été à leur tour comparés à des résultats analytiques. La seconde approche est expérimentale et est considérée comme l'une des apports importants de cette thèse. En effet, elle correspond à la réalisation d'un benchmark international qui a la géométrie d'un double dôme et qui a servi à valider les résultats de la simulation numérique. Par ailleurs, le modèle numérique a été alimenté par des essais expérimentaux (bias et picture frame tests) traduisant le comportement du milieu fibreux en cisaillement. Parallèlement, des essais de mesures optiques 3D de la déformation du milieu fibreux ont été réalisés en exploitant le logiciel de corrélation d'image Vic-3D. Cela a permis de mesurer les angles de cisaillement des tissus considérés lors du préformage. Les résultats de la simulation numérique montrent une très bonne concordance avec ceux obtenus expérimentalement.

Numerical simulations of the composite forming processes are essential in the design phase of composite structures. Fabric Forming simulations have many objectives: these determine the feasibility of forming or conditions of this feasibility and help determine the position of fibres after forming. This is important for the identification of mechanical characteristics of composites in service and to calculate the permeability after dry reinforcement draping for correct analysis of injection moulding process. This particular study has been accomplished with three main stages: the development of a stress computation algorithm for numerical analysis of fibrous materials; the experimental forming analysis of textile fabrics with an in-house development of double dome benchmark forming device; and finite element forming simulations using the benchmark model. Continuous approach has been used to predict the mechanical characteristics of woven composite fabrics during forming which considers the fibrous materials as a continuum on average at macroscopic scale. An algorithm based on a hypoelastic behaviour has been proposed for composite reinforcement forming simulations. It has been shown that using hypoelastic law with an objective derivative based on warp and weft fibre rotation tensors can successfully trace the correct behaviour of fibrous materials in deformation. The algorithm has been validated through a number of elementary tests with theoretical results. The de-facto standard in-plane shear tests of picture-frame and bias-extension have also been validated numerically. Double dome fabric forming tests have been carried out experimentally. 3D optical strain measurements were performed exploiting digital image correlation system of Vic-3D in order to measure the shear angles of the deformed fabrics. The forming simulations performed with the proposed numerical approach show a good agreement with the experimental results obtained with double dome device.