Modélisation numérique unifiée du formage et de la consolidation des composites thermoplastiques avec des patchs préimprégnés

Unified Numerical Modeling of Forming and Consolidation of Thermoplastic Composites with Prepreg Patches

• Auteur / Autrice : Paris Dilip Mulye
• Direction : Christophe Binétruy, Sébastien Comas-Cardona, Adrien Leygue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Solides, des Matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 22/11/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Vidal-Sallé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Binétruy, Sébastien Comas-Cardona, Adrien Leygue, Emmanuelle Vidal-Sallé, Salim Belouettar, Peng Wang, Damien Soulat, Juan Pablo Ramirez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuelle Vidal-Sallé, Salim Belouettar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Formage superplastique

Composites thermoplastiques

Modélisation CFD

Mots clés libres

Simulation numérique

Adhésion inter-pli

Formage

Consolidation

Coque

Préimprégné

Process simulation

Interply adhesion

Forming

Consolidation

Shell element

Prepregs

Résumé

Le « Quilted Stratum Process » (QSP®) est un procédé qui utilise des patchs de préimprégné thermoplastique placés stratégiquement pour former une pièce composite. L'utilisation de patchs préimprégnés introduit des particularités par rapport au formage classique, comme l'impossibilité d'utiliser un cadre serre-flanc, la possibilité de grands déplacements des patchs préimprégnés pendant le formage et la présence d’écoulement de compression pendant la phase de consolidation, en particulier pour les patchs unidirectionnels. Un nouveau modele semi-empirique de contact est développé dans le code commercial d'Altair RadiossTM pour prendre en compte l'adhesion inter-pli. Il a permis une amélioration de la prédiction des positions des patchs et des orientations des fibres dans les plis. Un nouvel élément de coque à intégration complète est développé en modifiant l'élément de coque existant dans Altair RadiossTM base sur l’hypothèse de contraintes planes. Le nouvel élément permet de calculer les contraintes normales dans l’épaisseur. Il est enrichi par une méthode d’ajout artificiel et sélectif de masse pour réduire les temps de calcul. Un modèle constitutif élasto-plastique de la nouvelle coque est développé afin de modéliser le comportement du polymère thermoplastique pendant la phase de la consolidation. Une méthode d’identification du modele est proposée. Enfin, en utilisant l’ensemble de ces développements, une approche unifiée est proposée pour la modélisation numérique du formage et de la consolidation. Elle est validée sur une pièce industrielle.

‘Quilted Stratum Process’ (QSP®) uses strategically placed thermoplastic prepreg patches in its stack to form a part. Thus, even though it shares several features with the standard composite thermostamping process; there are some additional challenges that arise due to the usage of prepreg patches, along with the inability to use a blank holder, possible long distance sliding of prepreg patches and the transverse squeeze flow occurring duringconsolidation especially for UD patches. A novel semi-empirical contact mechanism to model the interply adhesion is developed in the commercial code of Altair RadiossTM which has improved the prediction of patch positions and fibre orientations significantly. A new full-integration shell element with the capability of transverse normal stress and selective mass scaling is developed by modifying the shell element in Altair RadiossTM for the numerical modeling of consolidation where the classic shells cannot be used due to their plane-stress assumption. An elasto-plastic constitutive model for the new shell element is developed in order to model the behavior of the melt thermoplastic polymer during consolidation. A practical method for its characterization is proposed. Finally, using these developments, a unified approach is developed for the numerical modeling of forming and consolidation. It isvalidated on an industrial part and results are found to be in good agreement with the experimental observations.