Modélisation numérique et étude expérimentale de l’usinage des assemblages hybrides composite/métal

Numerical modelling and experimental analysis of machining composite-metal hybrid stacks

• Auteur / Autrice : Lhoucine Boutrih
• Direction : Mohammed Nouari, Lanouar Ben Ayed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdelhadi Moufki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Nouari, Nadhir Lebaal, Vincent Wagner, Hélène Elias-Birembaux, Redouane Zitoune
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadhir Lebaal, Vincent Wagner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites -- Délaminage

Plasticité

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Simulation par ordinateur

Assemblages (technologie)

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Modélisation EF

Assemblage hybride

CFRP/Ti

Endommagement

Couplage plasticité-Endommagement

Délaminage

FE modelling

Hybrid materials

CFRP/Ti

Damage

Plasticity-Damage coupling

Delamination

Résumé

Les assemblages hybrides composite/métal constituent aujourd'hui une solution efficace pour différents domaines industriels de pointe en raison de leurs performances exceptionnelles, notamment, leur résistance à la fatigue et à la corrosion et leur excellent rapport masse/rigidité. Cependant, leur mise en forme par enlèvement de matière reste complexe et mal maitrisée à cause de leurs propriétés hétérogènes et les interactions inter-matériau qu'ils impliquent. La mauvaise usinabilité des pièces hybrides engendre souvent des problèmes de qualité de surface, d'usure d'outils et de défauts dans les pièces, affectant ainsi les performances mécaniques de ces structures et leur mise en service. Dans cette thèse, un modèle numérique a été élaboré pour simuler fidèlement le procédé d'usinage de l'assemblage hybride CFRP/Ti en configurations 2D (coupe orthogonale) et 3D (perçage). Le modèle proposé intègre le comportement mécanique hétérogène des différentes phases constituant la structure hybride : la phase composite (CFRP), la phase métallique (Ti6Al4V), et l'interface (CFRP-Ti). En plus de la spécificité de chacune de ces phases, plusieurs couplages et critères d'endommagement ont été considérés comme le couplage thermomécanique dans la phase métallique, le couplage plasticité-endommagement dans la phase composite, et critère endommagement-rupture-séparation au niveau de l'interface. Parallèlement, une étude expérimentale approfondie de l'usinage en configuration de coupe orthogonale et en perçage des structures hybrides a été menée. Les essais ont permis d'étudier finement les mécanicismes physiques mis en en jeu et les fortes interactions entre la phase composite, la phase métallique, et l'interface inter-matériau. Le processus de formation de copeaux, l'endommagement induit ainsi que le délaminage de l'interface ont été particulièrement évalués en vue de leur analyse en fonction des conditions de coupe et des caractéristiques intrinsèques des constituants. Les essais expérimentaux ont également servi à la validation des modèles 2D et 3D de la coupe orthogonale, et celui de l'opération de perçage. Les différents résultats obtenus dans cette thèse ont permis d'optimiser l'opération de perçage en réduisant les efforts de coupe, l'endommagement induit par l'outil de coupe et le délaminage de l'interface inter-matériau.

Hybrid composite/metal materials stakes are today an effective solution for a number of leading-edge industrial fields, thanks to their outstanding performance, notably fatigue and corrosion resistance, damage tolerance and excellent strength-to-weight ratio. However, their shaping by material removal processes remains complex and still poorly developed, due to their heterogeneous properties and inter- material interactions. The poor machinability of hybrid parts often leads to problems of surface quality, tool wear and part defects, affecting the mechanical performance of these structures and their serviceability. In this thesis, a numerical modelling has been developed to faithfully simulate the CFRP/Ti hybrid assembly machining process under 2D and 3D configurations (orthogonal cutting and drilling). The model integrates the heterogeneous mechanical behaviour of hybrid structure phases: composite phase (CFRP), metal phase (Ti6Al4V), and interface (CFRP-Ti). In addition to each phase specification, several couplings and damage criteria such as thermomechanical coupling in the metal phase, plasticity-damage coupling in the composite phase, and damage-breakage-separation criteria at the interface have been considered. At the same time, an in-depth experimental study of machining hybrid structures under orthogonal cutting and drilling configurations was carried out. The experimental tests made it possible to study in detail the physical mechanisms involved and the strong interactions between the composite phase, the metal phase and the inter-material interface. In particular, the process of chip formation, induced damage and interface delamination were assessed with a view to their analysis as a function of cutting conditions and intrinsic characteristics of the constituents. Experimental tests were also used to validate the 2D and 3D models of orthogonal cutting and drilling operations.