Contribution au développement de la simulation numérique des matériaux composites à renforts tissés pour l'application au crash

Contribution to the development of the numerical simulation of woven composites for crash applications

• Auteur / Autrice : Olivier Cousigné
• Direction : Daniel Coutellier, Hakim Naceur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Énergétique, matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2013
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Serge Abrate
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Coutellier, Hakim Naceur, Jean-François Ferrero, Laurent Guillaumat, David Moncayo, Pedro P. Camanho
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Ferrero, Laurent Guillaumat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Composites à renforts tissés

Nonlinéarité

Plasticité

Endommagement

Impact

Umat

Simulation par éléments finis.

Woven composites

Nonlinearity

Plasticity

Damage

Impact

UMAT, FE-Simulation.

Résumé

Cette étude présente le développement d'une méthode expérimentale et numérique de caractérisation du comportement d'un matériau composite à renforts tissés, depuis l'échelle microscopique jusqu'au niveau macroscopique, en augmentant progressivement la complexité des géométries et des cas de chargement. Un nouveau modèle matériau numérique a été développé sous la forme d'un UMAT pour le logiciel éléments finis LS-DYNA. Ce modèle est capable de prédire un comportement linéaire ou non-linéaire, la déformation plastique, la rupture et l'endommagement progressif du matériau après rupture, tout en respectant les différentes restrictions imposées par le domaine industriel. Une formulation non-locale a été implémentée afin d'éviter les phénomènes indésirables de localisation de l'endommagement et d'offrir l'indépendance du modèle à la finesse du maillage. La première étape du processus de validation est la simulation des essais quasi-statiques sur des échantillons, ce qui permet de définir les paramètres numériques fondamentaux correspondant aux propriétés mécaniques et au comportement macroscopique du matériau étudié. Ensuite, les simulations d'impact assurent l'étude des modèles de dégradation. Une bonne corrélation a été obtenue pour les différents cas de chargement.

This study presents the development of an experimental and numerical material characterization method relying on the investigation of the material behavior of woven composites, from the microscopic scale up to the macroscopic level by increasing progressively the complexity of the geometries and load cases. Taking into account the different limitations imposed by the industrial and engineering fields, a new numerical mesh-insensitive material model has been developed as a UMAT for the explicit finite elements solver LS-DYNA. This model accounts for nonlinearity, plasticity, failure and post-failure damage in order to predict the macroscopic behavior and the damage tolerance of woven laminated composites. It includes also a smeared formulation to avoid undesirable localization phenomena. The first step of the validation process relies on the simulation of quasi-static coupon tests, which allows to set the fundamental numerical parameters corresponding to the effective material properties and to the macroscopic behavior observed experimentally. Then, the post-failure material degradation models have been investigated using the simulations of impact tests on elementary plates and on representative parts. A satisfying agreement has been obtained for the different load cases.