Modélisation du comportement de matériaux composites thermoplastiques pour application au crash

• Auteur / Autrice : Antoine Martin
• Direction : Ramzi Othman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Ecole Centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Franck Lauro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ramzi Othman, Franck Lauro, Alexis Rusinek, Fodil Meraghni, Patrick Rozycki
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexis Rusinek, Fodil Meraghni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Thermoplastiques

Composites

Mots clés libres

Crash

Composite

Thermoplastiques

Simulation

Résumé

L’objectif de cette thèse est de développer une loi de comportement pour la simulation des pièces en matériaux composites thermoplastiques en situation de crash. Après une justification des besoins de structures en matériaux composites performantes pour l’absorption d’énergie dans les véhicules, on expose la nécessité de développer des outils de simulation pour prévoir leur comportement, le valider et optimiser des conceptions. Une campagne expérimentale de caractérisation d’un matériau composite thermoplastique est présentée. A l’aide de machines d’essais incluant une arbalète et d’un système de mesure par corrélation d’image, des données expérimentales sur un ensemble de sollicitations, à petite et grande vitesses de déformation, sont mesurées. Ces expériences nous permettent d’identifier les modes de dégradation et les phénomènes à modéliser. Une bibliographie sur les modèles existants et une nouvelle loi de comportement sont présentées. Cette loi utilise une description mésoscopique du milieu stratifié et fait donc intervenir un modèle de pli et un modèle d’interface. Le modèle de pli utilise une approche biphasique : la matrice et les fibres sont modélisées individuellement. De plus le microflambement du pli est inclus dans le comportement et permet une description pertinente du comportement de compression. Le modèle est alors identifié sur les données précédemment recueillies et implémenté dans le logiciel ABAQUS. Finalement, des simulations d’écrasement de coupons (échantillons de structures) et de tubes sont confrontées à des expérimentations, ce qui permet une évaluation des performances de la loi de comportement proposée.

The purpose of this thesis is to develop a constitutive equation for thermoplastic composite components in crash situations. The need for using lightweight composite absorbing structures in passenger cars, is exposed. This requires development of simulation tools to evaluate, optimize and validate the design of these structures. An experimental program is undertaken to measure the mechanical properties of a thermoplastic composite material. The experimental data is gathered on tension, compression, and shear tests. A wide range of strain rates are investigated due to advanced tests rigs including a crossbow machine and Digital Image Correlation technique. Those experiments allow identifications of the material degradation behavior. A bibliography covering existing models is then presented. A new constitutive equation using a mesoscopic description of composite medium is proposed; an interface and a ply models are defined. The ply description uses a biphasic decomposition, fibers and matrix are separately modeled. The microbuckling is included in the ply model allowing sensitive description of compressive behaviors. The model identification is presented using previously gathered data. An implementation in ABAQUS software using FORTRAN interface VUMAT is developed. Finally, some crash simulations are proposed and confronted to testing data. Those covers crush tests on coupons, and a tubular structure. The results shows mostly a good agreement with the experimental data. The model performance is then discussed.