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Modélisation numérique des procédés LCM à l’échelle des milieux homogènes équivalents en cours de déformation – intégration de la pression capillaire lors de l’infusion et équilibrage post-infusion
Résumé
The LRI process consists in impregnating a fibrous preform through its thickness, under the pressure gradient created by pulling the vacuum. This out-of-autoclave process was developed to reduce manufacturing costs and ensure proper filling of large parts; hence the increasing interest of the aeronautical industry in this technique. This work, within the framework of the Hexcel-Mines Saint-Etienne Chair, aims to establish a predictive numerical tool to simulate the main physical phenomena occurring during the process at macroscale. In order to properly model the complex and multi-scale phenomena during the infusion process, a numerical approach based on finite-element method is developed to model the capillary effects during the filling stage and to model the post-filling stage. Capillary effects are represented by a capillar stress tensor acting at the bi-fluid interface of the flow modelled by Darcy's equations. By generating a pressure jump, it requires a local pressure enrichment of the elements crossed by the fluid front. The results are validated with a convergence analysis and a confrontation with experimental data. The model is adapted to the mesoscale to simulate the flow through the tows. A first approach of post-filling stage modeling is proposed, which describes the interaction between the preform deformation and the resin flow after the filling. Modeling this stage allows to study the influence of fluid-solid coupling on the final part regarding the dimensional tolerances, and to predict the evolution of the fibre volume fraction which determines the part mechanical properties. The first simulation tests reveal a high potential for industrial simulators.
Le procédé par infusion de résine liquide consiste à imprégner un renfort fibreux à travers son épaisseur, sous l’effet d’un gradient de pression créé par la mise sous vide du système. Ce procédé hors autoclave, a été mis au point afin de réduire les coûts de fabrication et de stockage des matériaux et assurer un bon remplissage des pièces de grandes dimensions ; d’où l’intérêt grandissant de l’industrie aéronautique pour cette technique. Ces travaux de thèse, dans le cadre de la Chaire Hexcel-Mines Saint-Etienne visent à établir un outil numérique robuste et prédictif pour simuler à l’échelle de la structure élaborée les principaux phénomènes physiques apparaissant pendant le procédé. Afin de mieux représenter ces phénomènes complexes multi-physiques, et multi-échelles lors de l’élaboration, une nouvelle approche numérique basée sur la méthode éléments-finis est développée pour modéliser d’une part les effets capillaires lors de la phase critique d’infusion, et d’autre part les écoulements post-infusion durant la phase de rééquilibrage. A l’échelle macroscopique, les effets capillaires sont représentés par un tenseur de contraintes capillaires agissant à l’interface bi-fluide de l’écoulement modélisé par les équations de Darcy. Le modèle est aussi adapté à l'échelle mésoscopique afin de simuler l’écoulement dans des torons de fibres. Une première approche de la modélisation de l'étape de post-infusion qui décrit la forte interaction entre la déformation de la préforme et l’écoulement de résine à la fin du remplissage, est ensuite propose.L’intégration de la modélisation de cette phase présente un premier pas vers les simulateurs dans un contexte industriel.
Origine : Version validée par le jury (STAR)