Etude expérimentale et numérique du springback des structures composites : prise en compte de l'interaction moule/pièce stratifiée.

Experimental and numerical study of springback of composite structures : considering mould/laminated part interaction.

• Auteur / Autrice : Arnon Lerdwongpaisan
• Direction : Bruno Castanié, Philippe Olivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 24/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Zoheir Aboura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anaïs Barasinski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Toufik Kanit, Olga Klinkova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Composites

Mots clés libres

Matériaux composites

Interaction outil/pièce

Cuisson autoclave

Simulation numérique FEA

Springback

Compensation de moule

Composite materials

Tool/part interaction

Autoclave curing

FEA numerical simulation

Springback

Mould compensation

Résumé

Les stratifiés composites constitués de fibres de carbone et d'une matrice de résine thermodurcissable ont des propriétés spécifiques adequates pour les structures aéronautiques ce qui explique leur large emploi aujourd’hui. Cependant, lors de la fabrication, les pièces stratifiées composites subissent des contraintes induites par le procédé et présentent fréquemment des déformations résiduelles en fin de cuisson communément appelées « springback ». Ces écarts de géométrie sont un problème sérieux pour les pièces lors du processus d'assemblage et peuvent conduire la pièce à devoir être retravaillée ou même mise au rebut. Par conséquent, la compréhension et la modélisation numérique du springback sont nécessaires pour éviter d'être confronté à un tel problème et minimiser un processus d'essais et d'erreurs très coûteux.Les travaux menés au cours de cette thèse s'inscrivent dans la continuité de travaux antérieurs sur la caractérisation du comportement thermomécanique du préimprégné M21EV/IMA et l'étude (à la fois expérimentale et numérique) des déformations et contraintes induites par le procédé de cuisson à l’autoclave. Ces travaux portent sur l'interaction outil/pièce et plus particulièrement sur les effets des produits environnementaux. Une série de stratifiés à 0/90 et à 45/-45 ont été polymérisés à l'autoclave sur un moule plat en aluminium. L’influence d’un agent démoulant, d’un séparateur ETFE non perforé et d’un tissu d’arrachage a été étudié selon différentes configurations à l’interface du stratifié et du moule. La déformation de tous les stratifiés fabriqués a été mesurée a près la cuisson et des simulations numériques ont été effectuées par FEM (Abaqus) à des fins de comparaison. Ces simulations numériques proposent une modélisation originale permettant de prendre en compte le comportement du séparateur ETFE non perforé et du tissu d’arrachage. Il révèle que les stratifiés à 0/90 sont sensibles à la présence d'une couche de tissu d’arrachage, tandis que les 45/-45 le sont moins.Les comportements thermiques du séparateur ETFE non perforé et du tissu d’arrachage ont été étudiés par analyse thermomécanique (TMA). Les résultats ont montré que le comportement thermique de l'expansion du séparateur ETFE non perforé suivait le cycle de durcissement comme prévu, tandis que la contraction de la structure textile du tissu d’arrachage était différente entre les directions de trame et de chaîne. Les coefficients de dilatation (ou de contraction) thermiques ont été caractérisés et implémentés dans la modélisation numérique FEA. Les résultats de la simulation sont en bon accord avec l'expérience et ont montré que l'effet des agents de démoulage entre l'interface outil/pièce ne peut être ignoré pour la déformation induite par le processus dans la pièce composite.La dernière partie de cette thèse porte sur la modification de la forme des moules métalliques (aluminium) pour compenser la distorsion hors plan des stratifiés. La première étape de ce travail a porté sur la conception de moules mâles et femelles compensés. Ils ont été conçus en réalisant une image miroir des formes des stratifiés (45/-45) choisis pour leur déformations nettement supérieures à celle des (0/90). La seconde étape dédiée à la simulation de la cuisson des (45/-45) sur les moules compensés a montré que l’on pouvait produire des stratifiés quasiment plats en dépit de leur drapage non symétrique.

Composite laminates made of carbon fibre and thermosetting resin matrix have specific properties that are efficient for aeronautic structures which explains their large use today. However, during manufacturing, composite laminated parts undergo process-induced stresses and frequently exhibit some residual deformations at the end of cure commonly called “springback”. These deviations of geometry are a serious issue for parts in assembly process and they can lead the part to be reworked or even scrapped. Therefore, the understanding and numerical modelling of springback sources is required to avoid coping with such problems and minimizing a very costly trial and error process.The work conducted during this Ph.D is in the continuation of previous work on the characterization of thermomechanical behaviour of M21EV/IMA prepreg and the study (both experimental and numerical) of autoclave process-induced deformations and stresses. Our work focuses upon tool/part interaction and more especially on the effects of bagging products. Series of cross-ply (0/90) and angle-ply (45/-45) laminates were autoclave-cured on aluminium flat mould. Liquid release agent, ETFE release film and peel ply were placed between the laminates bottom face and the mould. The deflection of all laminates was measured at the end of cure and numerical simulations were performed by FEM (Abaqus) for comparison. These numerical simulations propose an original modelling enabling the behaviour of releasing film and peel ply to be taken into consideration. It reveals that cross-ply (0/90) laminates are sensitive to presence of Peel ply layer while angle-ply laminates are less.The thermal behaviour of ETFE release film and peel ply was investigated by thermomechanical analysis (TMA). The results showed that thermal behaviour of ETFE release film expanding followed to the cure cycle temperature path as expected while the contraction of peel ply textile structure was observed differently between weft and warp directions. The coefficient of thermal expansion (or contraction) were characterized and implemented into FEA numerical modelling. The results from simulation are in good agreement with the experiment and showed that the effect of release agents between tool/part interface cannot be ignored for process induced deformation in composite part.The last part of this thesis focuses on the modification of metallic mould shape to compensate the out-of-plane distortion of laminate plate. At the beginning of this work, attention was paid to the simulation of mould compensation for angle-ply (45/-45) laminates which exhibited considerably larger warpage than cross-ply (0/90) ones. The first stage of simulation consisted in designing both female and male compensated moulds by mirroring the cured shape of (45/-45) laminates with the aim of producing flat laminates at the end of curing. In a second stage FEA simulations performed on the curing of (45/-45) laminates showed that it was possible to get almost flat laminates (even if they are not symmetrical) owing to compensated female moulds that were designed.