Etude expérimentale et modélisation numérique des écoulements de compression dans les composites stratifiés visqueux à plis discontinus

Experimental study and numerical modelling of squeeze flow in laminate viscous discontinuous composites

• Auteur / Autrice : Grégoire Sorba
• Direction : Christophe Binétruy, Sébastien Comas-Cardona
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 04/12/2017
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Allix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Binétruy, Sébastien Comas-Cardona, Olivier Allix, Suresh G. Advani, Emmanuelle Vidal-Sallé, Stephen R. Hallett, Edwin Lamers, Adrien Leygue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Suresh G. Advani, Emmanuelle Vidal-Sallé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Simulation par ordinateur

Composites tissés

Préimprégnés

Écoulement visqueux

Modélisation CFD

Mots clés libres

Préimprégnés UD

Préimprégnés tissés

Propriétés rhéologiques

Simulation de procédé

Écoulement de compression

Fluide isotrope transverse (TIF)

Complément de Schur

Décomposition en modes propres généralisée (PGD)

UD prepreg

Woven prepreg

Rheological properties

Process simulation

Squeeze flow

Transversely Isotropic Fluid (TIF)

Schur complement

Proper Generalized Decomposition (PGD)

Résumé

La liberté de conception des composites peut être améliorée par la combinaison de préimprégnés continus et discontinus. Le formage d’un empilement préchauffé constitué de plis discontinus distribués et orientés de manière optimale peut mener à des défauts inacceptables tels que des plissements dans le plan et hors-plan, glissement de plis, rotation de plis adjacents, flexion de fibres induite par un écoulement de compression transverse et finalement une distribution des fibres inappropriée et inefficace. Ces phénomènes naissent de la liberté individuelle de déplacement et de déformation des plis discontinus à l’intérieur du moule pendant la phase de formage. Premièrement ce travail présente des expériences conduites afin d’identifier le comportement sous compression d’un empilement de préimprégnés visqueux discontinus unidirectionnels et tissés. Un modèle basé sur une approche fluide hétérogène visqueux isotrope transverse est ensuite développé en accord avec les observations expérimentales. Il est notamment montré que les différents phénomènes observés sont retrouvés numériquement pour les unidirectionnels et partiellement pour les tissés et que les valeurs prédites sont globalement en bon accord avec les mesures expérimentales. L’obtention de résultats réalistes nécessite une résolution en 3D avec un maillage relativement fin dans l’épaisseur. Finalement des méthodes numériques avancées sont mises en place afin de tenter de réduire le coût des simulations.

The design freedom of composites can be improved by combining continuous and discontinuous prepregs. The forming of a pre-heated blank made of optimally oriented and distributed discontinuous prepreg plies may lead to unacceptable defects such as in-plane and out-of-plane wrinkles, sliding of plies, rotation of adjacent plies, bending of fibres induced by transverse squeeze flow and finally to inappropriate and inefficient fibre distribution. This arises because the individual discontinuous plies are free to move and deform in the mould during the forming step. First, this work presents some experiments conducted to identify the behaviour of a stack of unidirectional and woven discontinuous viscous prepregs subjected to through-thickness compression. Then a model based on a heterogeneous transverse isotropic fluid approach is gradually developped in agreement with the experimental findings. It is shown that the various observed phenomena are retrieved for the unidirectional and partly for the woven prepreg by the numerical model. The predicted values are in good agreement with measurements, when the problem is solved in 3D with a relatively fine mesh in the thickness. Finally an attempt is made to reduce the computational cost by the use of advanced numerical simulation techniques.