Approche intégrée pour estimer la durée de vie en fatigue de pièces thermoplastiques renforcés fibres courtes dans un cadre viscoélastique haute température

Integrated Approach for the Estimation of the Fatigue Life of Short Glass Fibres Reinforced Thermoplastics Parts in a Viscoelastic Framework at High Temperature

• Auteur / Autrice : Nathan Fouchier
• Direction : Carole Nadot-Martin, Sylvie Castagnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 29/11/2018
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Moussa Naït Abdelaziz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Bernasconi, Joseph Fitoussi, Sébastien Bergamo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sabine Cantournet, Yann Marco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Éléments finis, Méthode des

Matériaux -- Effets des hautes températures

Viscoélasticité

Matériaux -- Fatigue

Durée de vie (ingénierie)

Matières plastiques renforcées à la fibre de verre

Mots clés libres

Fibres courtes

PA66GF30

Distribution d'orientation des fibres

Simulation d'injection

Short fibers

PA66GF30

Fiber orientation distribution

Injection simulation

Résumé

L’utilisation des thermoplastiques renforcés de fibres de verre courtes pour la fabrication de pièces de structure dans l’industrie des transports est croissante pour des applications structurelles en environnements chauds. La conception de telles pièces nécessite le développement d’un outil de dimensionnement en fatigue à hautes températures. La prise en compte de la distribution d’orientation des fibres (DOF), dû au procédé d’injection, hétérogène est essentielle.Ces travaux de thèse, cofinancés par la Direction Générale de l’Armement et la région Poitou-Charentes, proposent une approche complétement intégrée de la simulation du procédé d’injection à la prédiction de durée de vie en fatigue, dans un cadre viscoélastique, de pièces injectées en thermoplastiques renforcés, à 110°C.Différentes étapes jalonnent la structure de l’outil numérique qualifié de « Through Process Modelling » (TPM). A partir de la connaissance de la DOF au sein d’une pièce obtenue par simulation du procédé d’injection, les propriétés effectives anisotropes locales sont estimées par homogénéisation viscoélastique. Les champs mécaniques hétérogènes, associés à différents types/niveaux de chargement et obtenus par simulation éléments finis, sont post-traités pour extraire la grandeur mécanique équivalente en entrée d’un critère de fatigue énergétique fournissant la durée de vie de la pièce pour chacune de ces conditions de chargement.L’identification des paramètres du critère de fatigue, puis la validation de l’ensemble de la méthodologie, s’appuient sur des essais de fatigue en traction uniaxiale à 110°C. Ces essais sont réalisés, en enceinte climatique, sur éprouvettes découpées dans des plaques injectées de PA66GF30 selon différentes orientations par rapport à la direction d’injection, pour 2 rapports de charge (R = 0,1 et R = -1) et à 2Hz.Les prédictions de durées de vie sont très satisfaisantes. L’influence de la qualité de prédiction de la DOF en entrée de la chaîne de calcul sur les résultats est aussi discutée.

The employment of short glass fibres reinforced thermoplastics is increasing in the automotive industry for hot environment applications. The design of components in such conditions and with this type of materials under fatigue loading must be optimized using a fatigue life assessment methodology. The heterogeneous fibres orientation distribution (FOD), due to the injection process should be considered.This work, funded by the Direction Générale de l’Armement et Région Poitou-Charentes, suggests an integrated approach from the injection process simulation to the assessment of the fatigue life at 110°C of injected components in a viscoelastic framework.The methodology here advanced is called “Through Process Modelling” (TPM). From the FOD in the component given by the injection simulation, the anisotropic effective local properties are estimated using viscoelastic homogenisation. The heterogeneous mechanical fields obtained by finite element simulations, for different types/levels of loading, are post-processed in order to get the input equivalent mechanical quantity of an energetic fatigue criterion giving the fatigue life of the component in each of these loading conditions.The identification of the fatigue criterion parameters and the validation of the whole methodology rely on an experimental fatigue database for a PA66GF30. Uniaxial tensile fatigue tests are carried out at 110°C in a climatic chamber, for 2 stress ratios (R = 0,1 and R = -1) and at 2Hz. They are performed for specimens cut out from injected plates with different orientations with respect to the flow direction.The methodology leads to very good predictions. The influence of the prediction of the FOD, input of the calculation chain, on the results is discussed.