Analyse expérimentale et numérique de l'impact de la variabilité des propriétés microstructurales de thermoplastiques renforcés par fibres courtes minérales ou végétales sur le comportement mécanique dynamique

Experimental and numerical analysis of the impact of the variability of the microstructural properties of thermoplatics reinforced with short mineral or natural fibers on the dynamic mechanical behavior

• Auteur / Autrice : Julien Proy
• Direction : Franck Lauro, Thierry Tison, Franck Massa, Delphine Notta-Cuvier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Druesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Lauro, Thierry Tison, Franck Massa, Delphine Notta-Cuvier, Frédéric Druesne, Vincent Placet, Nadia Bahlouli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Druesne, Vincent Placet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture

Propriétés mécaniques

Thermoplastiques

Mots clés libres

Injection plastique,

Thermoplastique

Fibres courtes,

Fibres végétales

Comportement dynamique

Analyse microstructurale

Injection molding

Thermoplastic

Short fibers

Plant fibers

Dynamic behavior

Microstructural analysis

Résumé

Les thermoplastiques renforcés par fibres courtes (TRFC) sont très utilisés dans l'automobile, notamment par l'équipementier Novares, afin d'alléger les véhicules, l'incorporation de fibres végétales permettant de plus d'augmenter la proportion de matériaux biosourcés. Toutefois, l'utilisation des TRFC peut être limitée par un manque de prédiction fiable de leur comportement, prenant en compte la variabilité des paramètres matériaux et/ou de process.Cette thèse vise donc à quantifier expérimentalement les variabilités microstructurales de composites à fibres de verre ou végétales, notamment en termes de géométrie et d'orientation des fibres, et à étudier l'influence des paramètres du procédé d'injection plastique sur ces variabilités. L'impact des paramètres microstructuraux sur le comportement dynamique des TRFC est ensuite analysé, expérimentalement et numériquement. Dans un premier temps, la variabilité du module d'Young est identifiée à partir d'essais de traction et d'analyses modales expérimentales, puis corrélée à la variabilité des paramètres microstructuraux. Dans un second temps, l'impact de la nature des fibres sur les schémas de rupture sous chargement dynamique (bulge tests) est investigué. Pour cela, les données expérimentales sont exploitées pour alimenter un modèle de comportement numérique permettant de prendre en compte les spécificités des SFRT (viscoelasto-viscoplasticité, anisotropie induite par l'orientation des fibres, mécanismes d'endommagement) afin de confronter les prédictions numériques aux expérimentations vibratoires et dynamiques. Finalement, un critère de rupture pour les TRFC est proposé pour une large gamme de vitesse de déformation.

Short-fiber-reinforced thermoplastics (SFRT) are widely used in the automotive sector, especially by the supplier Novares, to build lighter vehicles. Currently, the European Commission directives impose an increase of the proportion of bio-sourced materials in vehicles. However, the use of SFRT in technical parts remains limited due to the lack of reliable prediction of their behavior, considering the variability of material and/or process parameters. This phD thesis work aims at experimentally quantify the microstructural variability of short glass or natural fiber thermoplastics, especially in terms of fiber geometry and orientation, and at studying the influence of injection molding process parameters on these variabilities. The impact of microstructural parameters on the dynamic behavior of SFRT is then analyzed, experimentally and numerically. In a first step, the variability of the Young's modulus is experimentally identified by tensile tests and modal analysis, and then correlated to the variability of the microstructural parameters. In a second step, the impact of the nature of fibers on the failure history under dynamic loading (bulge tests) is investigated. In view of this, experimental data are input into a numerical behavior model that allows considering the specificities of SFRT (viscoelasto-viscoplasticity, anisotropy induced by the orientation of fibers, damage mechanisms...) in order to compare numerical predictions to vibration and dynamic experiments.Finally, a failure criterion for SFRT is investigated for a wide range of strain rate.