Evaluation de l'apport simultané des coutures sur la perméabilité des préformes cousues et sur les performances mécaniques des structures composites cousues

Simultaneous evaluation of the stitching seam on the permeability of stitched preforms and the mechanical performance of stitched composite structures

• Auteur / Autrice : Yang Song
• Direction : Kamel Khellil, Abdellatif Ouahsine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Avancée
• Date : Soutenance le 22/12/2015
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Porosité

Perméabilité

Composites

Mécanique

Mots clés libres

Corrélation Image Numérique (CIN)

Tufting

Coutures

Matériaux composites 3D

RTM

Tufting

Permeability

Porosity

Digital Image Correlation (DIC)

RTM

Résumé

Les matériaux composites 3D obtenus par couture ou piquage transverses présentent de nombreux atouts comparativement aux tissages interlocks ou orthogonaux 3D. Dans le but d’évaluer le potentiel de cette nouvelle génération de matériaux 3D, certaines études ont été consacrées à leur caractérisation mécanique. D’autres études se sont focalisées sur l’influence de certains types de coutures sur la perméabilité de matériaux cousus de type NCF (Non Crimp Fabrics). Cette thèse se propose d’étudier l’apport des coutures de type Tufting dans le renforcement transverse de tissus classiques 2D. Cet apport est évalué, conjointement, du point de vue mécanique et du point de vue de la perméabilité. Parmi les nombreux paramètres de couture, l’étude s’est focalisée sur l’influence de la densité de couture. A ce titre, trois différentes densités de coutures ont été réalisées, grâce à un robot de couture disponible au sein de notre laboratoire. Du point de vue de la perméabilité, les préformes cousues ont été réalisées avec des empilements identiques à ceux des préformes non cousues. L’évaluation des perméabilités a été conduite à travers un banc de mesure de perméabilité à flux unidirectionnel. Avec cette méthode, le tenseur de perméabilité plane est obtenu à travers trois mesures unidirectionnelles : 0° (chaine), 90° (trame) et 45°. L’analyse des résultats montre que la couture de type Tufting induit un effet atténuateur du rapport d’anisotropie K1/K2. D’autre part, il ressort que la position du fil de couture provoque des gradients de perméabilités locaux, très prononcés entre la surface et le cœur de la préforme. Pour les besoins de la caractérisation mécanique, six plaques composites ont été réalisées par le procédé RTM. Pour atteindre les caractéristiques mécaniques hors-plan, des plaques de 20 mm d’épaisseur, cousues et non cousues ont été réalisées. La CIN (Corrélation d’Image Numérique) a été utilisée pour cartographier les distributions des champs de déplacement lors des essais mécaniques (traction, compression sur cube et flexion en poutre courte), ceci afin de tenir compte de la présence des coutures au sein des matériaux. Les performances mécaniques évaluées se sont révélées bien en deçà des attentes, surtout en ce qui concerne les caractéristiques hors-plan. L’analyse micrographique des matériaux a révélé la présence de porosités concentrées au sein, ou dans le voisinage proche, des coutures. D’autre part, les coutures présentaient des courbures ou vrillages, provoquées par le compactage lors de la fermeture du moule RTM.En faisant le lien avec les résultats de perméabilité, il ressort que la présence des porosités au sein des coutures est une conséquence des gradients de perméabilité qui induisent des refermetures de flux d’imprégnation.

3D composite materials, which obtained by stitching or tufting, have many advantages compared to the 3D orthogonal weaves or interlocks. ln order to evaluate the potential of this new generation of 3D materials, some studies have been devoted to their mechanical properties. Other studies have focused on the influence of certain types of seams on the permeability of materials such as NCF (Non Crimp Fabrics).This thesis is to study the contribution of seams through the thickness of reinforcement 2D classic fabrics. This contribution is evaluated the mechanical properties and their permeability at the same time. Among many stitching parameters, the study focused on the influence of the stitching density. Three different seams densities were carried out through a robot available in our laboratory.ln terms of permeability, the stitched preforms were laminated those of identical unstitched preforms by using Tufting.The evaluation of permeability was conducted in an unsaturated regime through a small scale bench test by the unidirectional flow. With this method, the in-plane permeability tensor is obtained through the measured permeability in three directions : 0° (warp), 90° (weft) and 45°. The results show that the type of Tufting seams reduces the effect of anisotropy ratio Kl/K2. And it is obvious that the position of the stitching thread causes local permeability gradients very pronouncedly between the heart and the surface of the preform. For the purposes of the mechanical properties, six composite plates were made by the RTM process. To achieve mechanical properties through the thickness of the plates of 20 mm thick, stitched and unstitched performed were prepared. DIC (Digital Image Correlation) was used to detect the distribution of displacement fields during mechanical testing (tensile, compression and short bearn bending) in order to take account of the presence of seams within materials. The measured mechanical performance proved below expectations, particularly with regard to the characteristics in the third direction. Micrographie analysis of materials revealed the presence of porosity concentrated within, or near the seams. Moreover, the bends or kinks of seams were caused by compaction during closure of the RTM mold. By connecting with the permeability data, it appears that the presence of porosities in the seams is a consequence ofpermeability gradients that induce impregnation flow reclosing.