Modèles de comportement de structures textiles : développement, identification, implémentation

A behaviour model of textile structures : Development, identification and implementation

• Auteur / Autrice : Oussama Haji
• Direction : Eric Henri Blond, Gilles Hivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 10/12/2018
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Joël Bréard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Henri Blond, Gilles Hivet, Joël Bréard, Philippe Boisse, Steven Lecorre, Damien Durville, Sabine Rolland du Roscoat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Boisse, Steven Lecorre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Déformations (mécanique)

Composites à fibres

Mots clés libres

Renforts fibreux

Échelle microscopique

Compaction

Simulation numérique

Éléments poutres

Tomographie à rayons X

Fibrous reinforcement

Microscopic scale

Compaction

Numerical simulation

Beam finite elements

Xray tomography

Résumé

Les renforts fibreux subissent des mécanismes de déformations complexes lors du procédé de fabrication des pièces composites. Par conséquent, des défauts se produisent à différentes échelles du renfort qui peuvent affecter drastiquement la qualité de la pièce finale. Afin d’améliorer celle-ci, il serait judicieux de prévoir la faisabilité des pièces composite par la modélisation et la simulation du procédé de mise en forme. Cette tâche nécessite d’établir, tout d’abord, une loi de comportement du renfort fibreux par le biais de la modélisation du comportement des mèches, qui dépend lui-même du comportement des fibres et des interactions entre elles. D’où l’intérêt de commencer par l’étude d’un milieu fibreux modèle à l’échelle de la fibre. La présente étude s’inscrit dans cette approche en ayant comme objectif de développer un milieu modèle basé sur une géométrie réaliste d’un réseau de fibres faiblement enchevêtrées et quasiment unidirectionnelles. À l’issue de ce travail, deux éléments clés sont présentés : (i) des outils automatisés de reconstruction de la microstructure des milieux fibreux à partir des images de la tomographie à rayons X, jusqu’à son modèle CAO. (ii) une stratégie de simulation fiable,nourrie par des essais expérimentaux de compaction effectués sur un milieu fibreux modèle de 40 fibres de polyester. En utilisant ces outils, des simulations de compaction confinée, sur la même microstructure que celle de l’échantillon réel, ont été effectuées sur Abaqus®. Les fibres ont été modélisées par des éléments poutres 3D en prenant en compte le frottement entre elles. Un modèle numérique de contact, basé sur la loi de Hertz, est utilisé également. La confrontation des résultats numériques avec ceux des expériences montre une cohérence très encourageante qui permet de valider le modèle numérique d’une part, et de tester d’autres trajets de chargement en augmentant le nombre de fibres d’autre part.

The fibrous textile undergoes different mechanical loads, which induce strains and damage to the fabric at different scales. As a result, the mechanical properties of the final parts are drastically impacted. It is therefore essential topredict the feasibility of composite parts by the modelization and the simulation of the fabric preforming process.This task requires an appropriate mechanical behaviour of the fibrous textile. This behaviour is mainly a structural effect that depends essentially on the yarn interlacing and secondly on the yarn behaviour. Each yarn is composedof thousands of fibers; therefore, the objective of the present thesis is to establish a reliable numerical model ofslightly entangled and quasi-parallel fibers. The present work presents mainly: (i) a realistic representation of the fiber network geometry and (ii) a reliable simulation strategy to model the main phenomena at the fiber scale. To feed this approach, compaction tests were conducted on fiber network specimens of 40 polyester fibres. The experiments were combined with X-ray tomography image analysis. Using these tools, simulations of confined compaction on the same microstructure of the used specimen were performed on Abaqus®/Explicit. Beam finite elements were chosen to model the fibers and optimise the calculation cost. The normal contact behaviour between the fibers were was accurately modelled using the contact stiffness scaling and referring to Hertz contact model. The simulation strategy has been validated by comparing the mechanical response of the compaction experiment with the numerical one. The proposed model offers encouraging results in accordance with the real compaction test. More loading trajectories will be performed on a bundle of hundreds of fibers to gather more information on the microscopic scale (fiber scale), and then formulate a mechanical behaviour at the mesoscopic scale (yarn scale).