Modélisation et simulation du comportement de mèches de fibres de carbone à l'échelle mésoscopique pour l'analyse du comportement de préformes tissées interlock

Modelling and simulation of the behaviour of carbon tows at mesoscopic scale for the analysis of the behaviour of interlock woven preforms

• Auteur / Autrice : Hélène Moustacas
• Direction : Hachmi Ben Dhia, Damien Durville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Dumontet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hachmi Ben Dhia, Damien Durville, Hélène Dumontet, Philippe Boisse, Artan Sinoimeri, Stéphane Roux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Boisse, Artan Sinoimeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Simulation par ordinateur

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Tissés interlock

Mèche de carbone

Compression transverse

Modèle de poutre à cinématique enrichie

Interlock woven fabric

Carbon tow

Transverse compression

Higher order beam model

Résumé

L'utilisation croissante de préformes tissées de type interlock 3D pour la réalisation de pièces composites dans le domaine de l'aéronautique suscite des besoins importants en modélisation et simulation pour optimiser ces structures. Dans le but de simuler le comportement mécanique de préformes tissées interlock 3D d'aubes de turbine, nous cherchons à développer un modèle à l'échelle mésoscopique permettant de représenter le comportement de mèches de carbone, en particulier sous sollicitation de compression transverse. Pour comprendre les mécanismes impliqués dans ce type ce chargement, des simulations ont été conduites à l'échelle des constituants élémentaires en ayant recours à un modèle de macro-filament. Un modèle de poutre à cinématique enrichie, reposant sur un développement polynômial à un ordre quelconque par rapport aux coordonnées transverses a été proposé. Une nouvelle approche de détection et de modélisation des interactions de contact-frottement entre poutres à cinématique enrichie présentant des sections fortement déformables a été développée. Enfin un modèle de comportement hybride, adapté au modèle de poutre à cinématique enrichie, est proposé sous la forme d'une combinaison de différents modèles hyperélastiques élémentaires(Saint-Venant isotrope transverse, néo-hookéen 2D et exponentiel) afin de reproduire la réponse mécanique identifiée sous compression transverse.

The increasing use of 3D interlock woven preforms for the manufacturing of composite parts in aircraft industry createsnew requirements for modelling and simulation to optimize these structures. In order to simulate the mechanicalbehaviour of 3D interlock woven preforms for fan blades, this work is aimed at developing a model at mesoscopic scaleable to represent the behaviour of carbon fibre tows, specially when submitted to transverse compression. In order tounderstand the mechanisms involved in this kind of loading, simulations have been performed at the scale of theirelementary components, using a macro-filament model. A higher order beam model, based on a polynomial expansion to anyorder with respect to transverse coordinates, has been proposed. A new approach for detecting and modelling frictionalcontact interactions between higher order beams with highly deformable cross-sections has been developed. Finally, ahybrid rheological model, suited to the higher order beam model, in the form of a combination of various elementaryhyperelastic models (transversely isotropic Saint-Venant, 2D neo-hookean and exponential), has been proposed to fit themechanical response identified under transverse compression tests.