Analyse de l'aiguilletage de filaments de Polyacrylonitrile oxydé : Mise en place d'une stratégie numérique et expérimentale

Analysis of the needling of oxidised polyacrylonitrile filaments : Implementation of a numerical and experimental strategy

• Auteur / Autrice : Médéric Chaudey
• Direction : Nahiène Hamila, Gilles Hivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 06/04/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Binétruy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nahiène Hamila, Gilles Hivet, Christophe Binétruy, Xavier Legrand, Sabine Rolland du Roscoat, Florent Bouillon, Emmanuelle Vidal-Salle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Legrand, Sabine Rolland du Roscoat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres acryliques

Composites polymères

Composites à fibres

Mots clés libres

Matériau composite

Renfort fibreux

Aiguilletage

Polyacrylonitrile

Comportement mécanique

Traction

Elastoplasticité

Rupture

Outils numériques

Multi échelle

Consolidation

Composite Material

Fiber reinforcing

Needling

Polyacrylonitrile

Mechanical behaviour

Tensile shear

Elastoplasticity

Fracture

Digital tools

Multiscale

Consolidation

Résumé

Cette thèse porte sur la meilleure compréhension du procédé d’aiguilletage dans le cas de nappes fibreuses de Polyacrilonitrile oxydé (PAN oxydé). Peu d’études ont pu être recensées à ce sujet dans la littérature. Les connaissances acquises sur le procédé d’aiguilletage sont aujourd’hui majoritairement empiriques. L’objectif est ici de mettre en place une stratégie à la fois numérique et expérimentale permettant de mieux appréhender les phénomènes mécaniques se déroulant lors du procédé. Le comportement mécanique des filaments de PAN oxydé a tout d’abord été caractérisé au moyen d’essais de tractions monotones et cycliques et une loi élastoplastique a été identifiée. Une variabilité importante a pu être relevée pour le comportement des filaments, notamment d’un point de vue des valeurs de contrainte à rupture. Afin de décrire cette variabilité, un modèle basé sur la statistique de Weibull a été mis en place et validé à partir d’essais d’aiguilletage réalisés sur un dispositif spécialement conçu pour l’étude. Dans un second temps, le comportement à l’échelle d’un sous-câble de PAN oxydé (plusieurs milliers de filaments) a été traité. Une loi hyperélastique basée sur les travaux de Adrien Charmetant a été choisie et identifiée à partir d’essais afin de décrire le comportement d’un sous-câble de PAN oxydé. La très faible cohésion existant au sein d’une telle structure a conduit à l’élaboration de protocoles expérimentaux permettant de faciliter la manipulation et la mise en place des éprouvettes de test. Une troisième partie s’est attardée sur la mise en place d’outils numériques à l’échelle du sous-câble de PAN oxydé et intégrant les modèles de comportement précédemment mentionnés. Plusieurs géométries et conditions aux bords sont proposées afin d’étudier leur influence sur l’accroche et le transfert des filaments par une aiguille. Enfin, des perspectives et pistes de réflexion sont proposées, basées sur l’ensemble des travaux réalisés. Bien que la stratégie et les outils établis dans cette thèse se révèlent très encourageants, certains points seront à approfondir voire à explorer dans le cadre de futurs travaux sur l’aiguilletage.

This thesis focuses on the better understanding of the needling process in the case of oxidised Polyacrylonitrile (oxidised PAN) fibrous webs. Few studies on this subject could be found in the literature. The knowledge acquired on the needling process is mostly empirical. The objective here is to set up a numerical and experimental strategy in order to better understand the mechanical phenomena taking place during the process. The mechanical behaviour of oxidised PAN fibers was first characterised by means of monotonic and cyclic tensile tests and an elastoplastic law was identified. A significant variability could be found for the behaviour of the fibers, especially in terms of stress values at failure. In order to describe this variability, a model based on Weibull statistics was set up and validated from needling tests carried out on a device specially designed for the study. In a second step, the behaviour at the scale of an oxidised PAN sub-cable (several thousands of fibers) has been treated. A hyperelastic law based on the work of Adrien Charmetant was chosen and identified from tests to describe the behaviour of an oxidised PAN sub-cable. The very low cohesion existing within such a structure led to the development of experimental protocols to facilitate the handling and placement of test specimens. A third part focused on the implementation of numerical tools at the scale of the oxidised PAN sub-cable and integrating the above-mentioned behaviour models. Several geometries and boundary conditions are proposed in order to study their influence on the hook and transfer of fibers by a needle. Finally, some perspectives are proposed, based on the work carried out. Although the strategy and tools established in this thesis are very encouraging, some points will need to be further explored in future work on needling.