Sources de variabilité en lien avec les paramètres du procédé au sein de singularités géométriques de structures composites aéronautiques

Sources of variability linked to manufacturing parameters of structural features of aeronautical composite structures

• Auteur / Autrice : Khouloud Nagaz
• Direction : Francis Collombet, Bernard Douchin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 01/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Touchard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Ange Bueno, Peter Davies

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Composites

Mots clés libres

Variabilité

Géométrie complexe

Composite long fibre

Multi-échelle

Éléments finis

Probabiliste

Variability

Complex geometry

Long fibre composite

Multi-scale

Finite element

Probabilistic

Résumé

La thèse porte sur l'étude des origines et des effets d'un certain nombre de variabilités, au sein d'une structure composite carbone/Epoxy présentant des singularités géométriques. Le 1er chapitre est une étude bibliographique où on montre que l'étude des variabilités sur des pièces composites reste un problème ouvert qui peut être abordé de plusieurs manières et à plusieurs échelles. Il est bien établi que les propriétés d'une structure composite dépendent à la fois du choix des matières premières comme de celui du procédé de fabrication. Ces propriétés sont influencées par plusieurs types de variabilités comme la variation de la position des arrêts de pli, le désalignement des fibres et la présence de porosités. Ces trois questions sont abordées dans le cadre de cette thèse. Pour illustrer la méthodologie proposée, nous considérons comme exemple de structure avec géométrie complexe, un prototype de lisse composite inspiré d'un fuselage aéronautique. Elle constitue dans ce travail le réceptacle d'un certain nombre de contraintes de fabrication comme la présence de rayons convexes et concaves, de parois verticales, de changements d'épaisseur et d'association de plusieurs matériaux. Le 2ème chapitre est dédié à la présentation du protocole expérimental utilisé et des observations de variabilité pour l'analyse des arrêts de plis, de la porosité et de désalignement des fibres. Les observations sont réalisées tout au long du processus de fabrication, et font appel à un large éventail de techniques de mesures comme les observations optiques, micrographiques, tomographiques, etc. Chaque observation est dédiée au suivi d'un ou plusieurs types de variabilité étudiée pour des phases différentes du processus de fabrication. Le 3ème chapitre comporte l'étude mathématique des résultats d'observation et la représentation des tendances statistiques. Les données acquises sont triées en regard de leur position vis-à-vis des singularités géométriques, et analysées afin d'en proposer des modélisations mathématiques pertinentes. L'originalité du travail porte principalement sur la volonté de ne pas se limiter à des analyses statistiques, en caractérisant des tendances d'évolutions spatiales réalistes pour chaque type de variabilité observée, en lien avec la présence ou non d'une singularité géométrique à proximité. Une fois les lois mathématiques représentatives identifiées, des analyses statistiques sont menées sur les paramètres qui pilotent ces lois, principalement sous la forme de moyennes et d'écarts types. Le but du 4ème chapitre est de proposer une approche numérique pour évaluer l'influence de ces variabilités sur les propriétés de la structure. On montre en quoi il est possible de créer une famille de modèles numériques représentant des pièces virtuelles (non encore fabriquées) de façon réaliste. Le réalisme recherché cible autant l'amplitude des variabilités simulées que l'évolution spatiale de cette variabilité au sein de la pièce. Les simulations numériques doivent permettre de proposer des gammes de variation des propriétés et du comportement des structures en fonction de la variabilité étudiée. Le modèle fait appel à des éléments coques 2D, pour être en capacité de mener un grand nombre de simulations basées sur des tirages aléatoires des paramètres des lois mathématiques étudiées. Enfin une autre étude numérique est proposée. Elle concerne l'effet des variabilités au sein d'une peau de fuselage composée de plis UD à partir de résultats issus d'une thèse précédente. En conclusion, ce travail a mis en place une approche permettant l'évaluation des effets d'incertitude dans des calculs mécaniques appliqués aux structures en matériaux composites à géométrie complexe. La question abordée est de s'assurer de la robustesse d'un résultat de manière plus physique qu'en ayant recours à des facteurs de sécurité. Les perspectives de ces travaux sont ensuite présentées.

The thesis focuses on the study of the origins and effects of a number of variabilities within a carbon/Epoxy composite structure with geometric singularities. The first chapter is a bibliographical study in which it is shown that the study of variabilities in composite parts remains an open problem that can be approached in several ways and at several scales. For the analysis and manufacture of composite structures, there are a large number of methods, multi- scale or not, which allow the influence of variabilities to be taken into account in the study of composite structures. It is well established that the properties of a composite structure depend on both the choice of raw materials and the manufacturing process. These properties are influenced by several types of variability such as variation in the position of ply stops, fibre misalignment and the presence of porosities. These three issues are addressed in this thesis. To illustrate the proposed methodology, we consider as an example of a structure with complex geometry, a prototype of a composite stringer inspired by an aeronautical fuselage. In this work, it constitutes the receptacle of a certain number of manufacturing constraints such as the presence of convex and concave radii, vertical walls, changes in thickness and the association of several materials. The second chapter is dedicated to the presentation of the experimental protocol used and the observations of variability for the analysis of ply stops, porosity and fibre misalignment. The observations are carried out throughout the manufacturing process, using a wide range of measurement techniques such as optical, micrographic, tomographic observations, etc. Each observation is dedicated to the monitoring of one or more types of variability studied for different phases of the manufacturing process. The third chapter includes the mathematical study of the observation results and the representation of statistical trends. The acquired data are sorted according to their position with respect to geometric singularities, and analysed in order to propose relevant mathematical models. The originality of the work lies mainly in the desire to do not limit itself to statistical analyses, by characterising realistic spatial evolution trends for each type of variability observed, in relation to the presence or absence of a geometric singularity nearby. Once the representative mathematical laws have been identified, statistical analyses are carried out on the parameters driving these laws, mainly in the form of means and standard deviations. The aim of the 4th chapter is to propose a numerical approach to evaluate the influence of these variabilities on the properties of the structure. It is shown how it is possible to create a family of numerical models representing virtual parts (not yet manufactured) in a realistic way. The realism sought targets both the amplitude of the simulated variabilities and the spatial evolution of this variability within the part. The numerical simulations must make it possible to propose ranges of variation of the properties and behaviour of the structures according to the variability studied. The model uses 2D shell elements to be able to carry out a large number of simulations based on random draws of the parameters of the mathematical laws studied. Finally, another numerical study is proposed. It concerns the effect of variabilities within a fuselage skin composed of UD plies, based on results from a previous thesis. In conclusion, this work has set up an approach allowing the evaluation of uncertainty effects in mechanical calculations applied to composite structures with complex geometry. The question addressed is to ensure the robustness of a result in a more physical way than by using safety factors. The perspectives of this work are then presented.