simulation industrielle des procédés d’élaboration de pièces composites par infusion de résine : couplage fluide / solide poreux très faiblement perméable en grandes déformations

industrial simulation of composite part manufacturing processes by resin infusion : interaction between fluid and low permeability porous solid undergoing large deformations

• Auteur / Autrice : Arnaud Dereims
• Direction : Sylvain Drapier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 08/07/2013
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Jury : Président / Présidente : Michel Potier-Ferry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Drapier, Michel Potier-Ferry, Joël Bréard, Frédéric Jacquemin, Jean-Michel Bergheau, Patrick De Luca
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Joël Bréard, Frédéric Jacquemin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédés de fabrication

Déformations (mécanique)

Éléments finis, Méthode des

Stokes, Théorème de

Composites

Mots clés libres

Matériaux composites

Procédés

Infusion

Darcy

Brinkman

Terzaghi

Couplages

Composite matérials

Processes

Infusion

LRI : Liquid Resin Infusion

Stokes

Darcy

Brinkman

Terzaghi

Coupling

Finite element method

Finite strain

Low permeability

Résumé

Les procédés d’élaboration de pièces composites par infusion de résine, malgré leurs nombreux avantages, peinent à s’imposer dans les phases de production industrielle en raison de difficultés pour les maitriser. Ainsi, en partenariat avec ESI Group, un modèle complet pour la simulation de ces procédés est développé à l’ENSM-SE depuis les travaux précurseurs de P. Celle.Nos travaux portent sur la généralisation de ce modèle afin de traiter des cas, ainsi que sur son extension à la simulation des écoulements « post-infusion ». L'approche repose sur un découpage du domaine en trois zones (drainant, préformes imprégnées, préformes sèches) consistant ainsi à coupler un écoulement de Stokes dans le drainant à un écoulement de Darcy dans les préformes. De plus, l'influence mutuelle de la résine sur le comportement des préformes et de la déformation des préformes sur la perméabilité est considérée, à travers la loi de Terzaghi et des lois exprimant la perméabilité en fonction de la fraction de fibres, paramètre accessible uniquement dans une approche 3D mécanique couplée. Enfin, le procédé est découpé en trois phases : compression initiale des préformes sèches, remplissage et « post-infusion ». Les méthodes numériques, développées dans ces travaux, s'appliquent à des cas réels d'infusion souvent mis de côté dans les publications récentes car inaccessibles, impliquant des perméabilités très faibles (~10-15 m²), un drainant fin (~1 mm) et des géométries complexes.Cette approche innovante a été implémentée dans un code de calcul industriel (ProFlotTM), validée analytiquement sur des cas tests et expérimentalement sur des cas industriel dans le cadre du projet européen INFUCOMP.

Composite manufacturing processes by resin infusion, despite their many benefits, struggle to establish themselves in the industrial production phases due to difficulties to control them. So, in partnership with ESI Group, a comprehensive model for the simulation of these processes is developed at the ENSM-SE since the pioneering work of P. Celle.Our work focuses on the generalization of this model to handle complex industrial cases in three dimensions, as well as its extension to “post-infusion” flow simulation. The approach is based on three domains decomposition of the field (Distribution medium, impregnated preforms, dry preforms) consisting in coupling a Stokes flow in the distribution medium with a Darcy flow in the preforms. In addition, the mutual influence of the resin on the preforms and of the preforms deformation on the permeability is considered, through Terzaghi’s law and models expressing the permeability as a function of the fibre fraction, data only accessible with a 3D coupled mechanical approach. Finally, the process is divided into three phases: initial compression of dry preforms, filling and “post-infusion”. The numerical methods developed in this work, apply to real infusion cases often discarded in recent publications, involving very low permeability (~10-15 m²), thin distribution medium (~ 1 mm) and complex geometries (3D curved).This innovative approach has been implemented in an industrial simulation code (ProFlotTM), validated analytically over test cases and experimentally over industrial cases in the European project INFUCOMP.