Contribution à l’étude de la mise en forme de renforts secs unidirectionnels HiTape® pour structures primaires aéronautiques

A contribution to the study of the forming of dry unidirectional HiTape® reinforcements for primary aircraft structures

• Auteur / Autrice : Laure Bouquerel
• Direction : Sylvain Drapier, Philippe Boisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 25/06/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ed Sis 488
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Mécanique et Procédés d'Elaboration / MPE-ENSMSE
• Jury : Président / Présidente : Jean-Phillipe Ponthot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Boisse, Jean-Phillipe Ponthot, Jean-Claude Grandidier, Laurent Orgéas, Damien Soulat, Nicolas Moulin, Jean-Marc Beraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Claude Grandidier, Laurent Orgéas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux semi-solides -- Mise en forme

Modèles de zone cohésive

Industrie aéronautique

Composites à renforts particulaires

Mots clés libres

Composites

Renfort unidirectionnel

Renfort unidirectionnel

Simulation

Éléments finis

Flexion

Hyperélasticité

Frottement

Zone cohésive

Composites

Unidirectional reinforcement

Foring

Simulation

Finite Element

Bending

Hyperelasticity

Friction

Cohesive zone

Résumé

S’inscrivant dans le contexte du développement des procédés hors autoclave pour les structures primaires aéronautiques, ce travail de thèse (financement CIFRE Hexcel/Mines Saint-Etienne avec implication de l’INSA-Lyon) a pour objectif de modéliser et simuler la mise en forme d’un empilement de renforts HiTape® préalablement déposés à plat. Développé par Hexcel, HiTape® est un renfort unidirectionnel sec de fibres de carbone avec un voile thermoplastique de chaque côté, permettant d’atteindre un niveau de performance similaire aux matériaux pré-imprégnés standards. Le comportement du renfort HiTape® est d’abord caractérisé sous diverses sollicitations. En particulier, le comportement non-linéaire en flexion hors-plan est quantifié à l’aide d’un flexomètre de Peirce modifié, et un essai de type pull-through permet d’évaluer le coefficient de frottement inter-plis. Dans un second temps, la modélisation de la mise en forme de renforts structuraux de type HiTape® nécessite de prendre en compte les non-linéarités à la fois matérielles, géométriques et de contact. Une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse est sélectionnée pour le renfort unidirectionnel. L’interface entre les plis, où est situé le voile thermoplastique à l’état fondu, est modélisée via des zones cohésives prenant en compte frottement et adhésion. Le problème mécanique est résolu par la méthode des éléments finis dans la suite logicielle Z-set. Dans les simulations de mise en forme d’empilements, le contact entre le moule et la préforme fibreuse est supposé parfait.

In the context of developing out-of-autoclave processes for primary aircraft structures, this PhD (CIFRE Hexcel/Mines Saint-Etienne funding in partnership with INSA-Lyon) aims to model and simulate the forming of an initially flat stack of HiTape® reinforcements. Developed by Hexcel, HiTape® is a dry unidirectional carbon fiber reinforcement with a thermoplastic veil on each side, designed to achieve a performance comparable to which of state-of-the-art preimpregnated materials. First, HiTape® behavior is characterized; in particular, nonlinear out-of-plane bending behavior is measured using a modified Peirce flexometer, and the inter-ply coefficient of friction is assessed with a pull-through friction test. Then, modeling the forming of structural reinforcements requires consideration of the material, geometrical and contact nonlinearities. A transversely isotropic hyperelastic law is therefore selected for the intra-ply behavior, while the interface where is located the melted thermoplastic veil is modeled using cohesive zones describing both friction and adhesion. The mechanical problem is solved using a finite element method with Z-set software. Finally, in order to simulate the forming of a stack of reinforcements, mold-to-preform contact is assumed to be perfect (frictionless).