Modélisation numérique et caractérisation de l'effet des défauts de fabrication sur les propriétés mécaniques des composites renforcés textiles 3D

Characterization and multiscale modeling of textile reinforced composite materials considering manufacturing defects

• Auteur / Autrice : Keerthi Krishna Parvathaneni
• Direction : Chung Hae Park
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMT Lille Douai - Centre for Materials and Processes / CERI MP - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Daniel Coutellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dmytro Vasiukov, Federica Daghia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Hochard, Lucien Laiarinandrasana

Mots clés

Mots clés libres

Verre interlock 3D

Défauts de fabrication

Statistiquement équivalent

Modélisation multi-Échelle

Transfert de résine

Vides

Tomographie

Modèle voxel

3D textile composites

Manufacturing defects

Statistical equivalence

Multiscale simulation

Resine transfer moulding

Voids

Micro tomography

Voxel model

Résumé

L’influence des porosités induites par les procédés de fabrication sur les propriétés mécaniques des composites textiles a été étudiée à la fois par caractérisation expérimentale et par modélisation multi-échelle. En particulier, les porosités ont été caractérisés en termes de fraction volumique, taille, forme et distribution, et les effets de chaque caractéristique sur les propriétés mécaniques des composites textiles ont été analysés. De nombreuses plaques de composites textiles ont été fabriquées par le procédé Resin Transfer Molding (RTM). Ainsi, un renfort textile en verre interlock 3D a été imprégné par une résine époxy injectée sous une pression constante pour générer différents types de porosités. Des essais mécaniques ont été réalisés pour examiner la dépendance du module et de la résistance en traction des composites par rapport au taux de porosité total, intra-toron et inter-toron et également par rapport aux caractéristiques géométriques des porosités. Des analyses au microscope électronique ont été effectuées pour obtenir des informations locales sur les fibres (diamètre et distribution) et les porosités intra-toron (rayon, rapport d’aspect et distribution). A partir de ces résultats, un nouvel algorithme a été développé pour générer le Volume Elémentaire Représentatif (VER) qui est statistiquement équivalent au composite contenant les porosités. De plus, l’effet de la morphologie, du diamètre et de la distribution spatiale des porosités (homogène, aléatoire et concentré) sur les propriétés homogénéisées des torons a également été étudié par la méthode des éléments finis. La tomographie par rayons X a été utilisée pour extraire la géométrie méso-échelle réelle en trois dimensions et les porosités intra-toron. Ensuite, ces données ont été utilisées pour créer un modèle numérique à l’échelle mésoscopique (VER) et prédire les propriétés élastiques des composites avec porosités. Une étude paramétrique utilisant une méthode numérique multi-échelle a été effectuée pour étudier l’effet de chaque caractéristique des porosités, c.-à-d. le taux volumique, la taille, la forme, la distribution et la localisation sur les propriétés élastiques de composites. Ainsi, la méthode multi-échelle proposée permet d’établir une corrélation entre les porosités à différentes échelles et les propriétés mécaniques des composites textiles.

The influence of void-type manufacturing defects on the mechanical properties of textile composites was investigated both by experimental characterization and by multiscale modeling. In particular, voids characteristics such as not only void volume fraction but also its size, shape, and distribution have been characterized for textile composites and their effect on the mechanical properties have been analyzed. Several textile composite plates were fabricated by the resin transfer molding (RTM) process where 3D interlock glass textile reinforcement was impregnated by epoxy resin under a constant injection pressure to generate different types of voids. A series of mechanical tests were performed to examine the dependency of tensile modulus and strength of composites on the total void volume fraction, intra & inter-yarn void volume fraction, and their geometrical characteristics. Microscopy observations were performed to obtain the local information about fibers (diameter and distribution), and intra-yarn voids (radius, aspect ratio and distribution). Based on these results, a novel algorithm was proposed to generate the statistically equivalent representative volume element (RVE) containing voids. Moreover, the effect of void morphology, diameter and spatial distribution (homogeneous, random and clustering) on the homogenized properties of the yarns was also investigated by the finite element method. X-ray micro-computed tomography was employed to extract the real meso-scale geometry and inter-yarn voids. Subsequently, this data was utilized to create a numerical model at meso-scale RVE and used to predict the elastic properties of composites containing voids. A parametric study using a multiscale numerical method was proposed to investigate the effect of each void characteristic, i.e. volume fraction, size, shape, distribution, and location on the elastic properties of composites. Thus, the proposed multiscale method allows establishing a correlation between the void defects at different scales and the mechanical properties of textile composites.