Contribution à la caractérisation mécanique et à la modélisation des tricots de Nickel-Titane

Contribution to the mechanical characterization and modelling of knitted Nickel-Titanium textiles

• Auteur / Autrice : François Tissot
• Direction : Denis Favier, Miroslav Karlik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 10/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec České vysoké učení technické (Prague)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Boisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Petr Sittner, Nathanaël Connesson, Ludek Heller, Bohdana Marvalová, Yohan Payan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tarak Ben Zineb, Xavier Balandraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages à mémoire de forme

Textiles et tissus à usages techniques

Mots clés libres

Textiles tricotés

Nickel-Titane

Caractérisation expérimentale

Eléments finis

Knitted textiles

Nickel-Titanium

Experimental characterization

Finite elements

Résumé

Le tricotage est une technique d'obtention de textiles ancestrale qui est encore couramment utilisée de nos jours. Cette technique permet de produire des textiles possédant une forte déformation élastique, un comportement mécanique anisotrope modifiable simplement en jouant sur la géométrie de la maille, la possibilité d'obtenir des formes générales (préformes) ou internes (trous) durant le procédé de fabrication, rendant ces textiles particulièrement attractifs et rentables. Plus récemment, l’utilisation des alliages à mémoire de forme (AMF), en particulier de fils de Nickel-Titane (Ni-Ti), pour produire ces tricots a permis de proposer des textiles aux fonctionnalités nouvelles, telles qu'une très grande déformation élastique, un changement de forme sous l'effet d'un échauffement, une forte capacité d’amortissement, etc.Cependant, le comportement mécanique de tels tricots AMF reste encore assez mal connu, et bien qu'un certain nombre d'études aient déjà été proposées dans la littérature concernant la caractérisation du comportement mécanique de ces tricots, l'application aux tricots NiTi reste insuffisamment faite.Dans ce travail, un ensemble d’outils expérimentaux et numériques a été mis en place pour étudier la déformation des tricots NiTi, en particulier pour évaluer l'influence des paramètres matériaux, géométrie, frottements, etc., sur le comportement mécanique. Un montage expérimental a été développé pour caractériser le textile en traction biaxiale. Il s'inspire des techniques utilisées pour les membranes souples visant à obtenir un champ de déformation le plus uniforme possible dans la zone déformée. De plus, sa conception ainsi qu’un programme de traitement d'images permettent la mesure de la distribution des efforts aux frontières ainsi que la mesure de la morphologie des mailles du tricot au cours de la déformation.Le comportement mécanique du tricot a été modélisé par homogénéisation numérique en réalisant des simulations numériques par éléments finis sur une maille représentative sous conditions périodiques. Les prédictions des simulations sont validées en regard des résultats expérimentaux obtenus sur les tricots NiTi, en traction simple et traction biaxiale suivant les directions chaine et trame. Elles sont ensuite utilisées pour analyser l'importance des différents mécanismes de déformation en fonction de la sollicitation étudiée.

Knitting is an ancestral textile manufacturing technique which is still commonly used nowadays. This method allows to manufacture textiles possessing high recoverable strains, an anisotropic mechanical behavior easily tuned by varying the knit loop dimensions, the ability to obtain general forms (preforms) or internal forms (holes) during the manufacturing process, and more, making those textiles particularly attractive and cost-efficient. More recently, the use of Shape Memory Alloys (SMA), notably Nickel-Titanium (Ni-Ti) wires, for producing those textiles allowed to propose textiles with new functional properties, such as very high recoverable strains, shape-shifting effects under temperature changes, high damping capacity, etc.However, such SMA knitted textiles mechanical behavior remains relatively unknown, and even if a certain number of studies have dealt with the knitted textiles mechanical characterization, the application to NiTi knitted textiles remains insufficiently done.In this work, a set of experimental and numerical tools have been developed to study knitted NiTi textiles deformation, especially to evaluate the influence of material parameters, knit geometry, friction, etc., on the mechanical behavior. An experimental setup has been developed to characterize such textiles in biaxial tension. It is inspired by methods developed for soft membranes aiming at obtaining strain fields as uniform as possible in the sample working area. Furthermore, its conception as well as a dedicated image processing software allow measuring boundary forces distributions and knit loops morphology during deformation.The knitted textile mechanical behavior has been modeled using numerical homogenization method by performing finite elements numerical simulation of a representative knit loop under periodic conditions. Simulations predictions are validated in regard to experimental results obtained on knitted NiTi textiles, in simple tension and biaxial tension in course and wale directions. They are then used to analyze the importance of different deformation mechanisms depending on the loading case studied.