Simulation des distorsions de cuisson de pièces composites élaborées par co-bonding en autoclave

Simulation of cure distortions of composite parts co-bonded in autoclave

• Auteur / Autrice : Laure Moretti
• Direction : Philippe Olivier, Gérard Bernhart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Véronique Michaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Olivier, Gérard Bernhart, Sylvain Drapier, Frédéric Jacquemin, Bruno Castanié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Drapier, Frédéric Jacquemin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodurcissables

Déformations (mécanique)

Assemblages collés

Colles

Composites

Mots clés libres

Distorsions de cuisson

Matériaux composites

Co-bonding

Colle époxy

Fabrication virtuelle

Cure distortions

Composite materials

Co-bonding

Epoxy adhesive

Virtual manufacturing

Résumé

Les composites stratifiés en fibres de carbone et à matrices thermodurcissables sont, grâce à leurs propriétés spécifiques, des matériaux très performants pour les pièces de structure primaire en aéronautique. Cependant, durant leur élaboration, de nombreux phénomènes multi-physiques conduisent à l’apparition de contraintes et de déformations résiduelles qui impactent la géométrie finale de la pièce. Ces écarts de géométrie sont critiques pour les pièces de grandes dimensions et les assemblages. Il est donc primordial de prédire ces déformations par la simulation. Le travail effectué au cours de cette thèse s’inscrit au sein du projet MAESTRIA du CORAC porté par la DGAC et dans le cadre d’un partenariat étroit avec Dassault Aviation. La recherche menée s’intéresse plus particulièrement aux assemblages co-collés. Le film de colle époxy utilisé pour ces collages a un comportement propre et risque d’avoir une influence sur les déformations de cuisson des assemblages. La colle, souvent ignorée dans les simulations de cuisson, a donc fait l’objet d’une caractérisation et d’une modélisation propre. Un effort de caractérisation important est fourni afin d’identifier les lois de comportement associées aux variations des propriétés des matériaux au cours de la cuisson. Une fois les lois de comportement matériaux identifiées, la modélisation FEA est implémentée sous Abaqus via des subroutines utilisateurs FORTRAN. Le modèle a ensuite été confronté à des cas expérimentaux. Des mesures de distorsions de plaques, cornières et assemblages sont effectuées. Si le modèle fournit des résultats très satisfaisants pour les pièces composites, les résultats des mesures sur les assemblages révèlent un comportement de l’adhésif plus complexe qu’attendu et une influence non négligeable du film de colle sur les distorsions. La dernière partie de ce travail de recherche se concentre donc sur la compréhension et l’étude approfondie du comportement de ce film de colle. Pour ce faire diverses analyses sont effectuées dont des instrumentations d’assemblages collés par fibres optiques à réseau de Bragg permettant de suivre les déformations in-situ tout au long de la cuisson.

Because of their specific properties, composite laminates made of carbon and thermosetting resins are very efficient materials for primary structural parts in aeronautics. However, during their cure, composite parts are subjected to several multi-physical phenomena, which may cause residual stresses and strains that will impact the final geometry of the part. Those variations of geometry are critical for parts of large dimensions and assemblies. Therefore, a simulation tool is needed to predict the cure strains. The work conducted during this Ph.D. is part of the MAESTRIA project of the CORAC supervised by the DGAC and is undertaken as a part of a strong partnership with Dassault Aviation. In this research work a special interest is given to co-bonded assemblies. The epoxy adhesive film used has its own behaviour and may have an influence on cure strains of assemblies. The adhesive, often ignored in cure simulations, is thus subjected to its own characterization and modelling. A significant characterization work is done to identify the behaviour laws of materials throughout their cure. Based on this characterization work, a FEA model is implemented on Abaqus using FORTRAN user subroutines. The model is then compared to experimental measurements for validation. Distortion measurements are done on composite plates, corners and assemblies. The model provides accurate results for composite parts, however, the measurements obtained for assemblies revealed an adhesive behavior more complex than expected and a significant influence of the adhesive film on distortions. Therefore, the last part of this research work focuses on understanding and in-depth studying of the behavior of this adhesive film. To do so, various analyses are carried out, including cure monitoring of co-bonded assemblages by optical fibre grated with Bragg gratings.