Caractérisation expérimentale, modélisation et simulation à l'échelle microscopique du comportement mécanique des mèches de fibres

Experimental characterization, modelling and simulation at the microscale of the mechanical behavior of fibre bundles

• Auteur / Autrice : Xinling Song
• Direction : Gilles Hivet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 17/07/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Samir Allaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Genti Guxho, Duc Phi Do, Anwar Shanwan, Audrey Wendling-Hivet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Legrand, Peng Wang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Microscopie

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Composites

Simulation par ordinateur

Propriétés mécaniques

Fibres

Mots clés libres

Échelle microscopique

Mèches

Microscale

Yarns

Résumé

Le comportement mécanique d’un renfort fibreux est fondamental lors de sa mise en forme pour la fabrication des matériaux composites. Afin de prédire ce comportement, des essais mécaniques seuls ne sont pas suffisants. Il est donc nécessaire d’obtenir une véritable loi de comportement du renfort en fonction des paramètres de la structure fibreuse. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement mécanique d'un assemblage de fibres quasi parallèles. Pour atteindre cet objectif, il est donc nécessaire de comprendre et quantifier l’influence des paramètres de l’architecture fibreuse sur son comportement mécanique. Une démarche mixte expérimentale/numérique est proposée. La stratégie numérique consiste à réaliser des simulations numériques par éléments finis, en dynamique explicite, en modélisant chaque fibre par une poutre B31, en contact les unes avec les autres. Au niveau expérimental, et en utilisant des assemblages de quelques dizaines de fibres modèles de 500 microns, des essais de compaction/compression sous tomographe sont réalisés. Ces essais permettent d’obtenir l’évolution de l’architecture fibreuse en fonction du chargement imposé et des conditions aux bords appliquées. Des indicateurs d’évolution de la microstructure sont alors finis afin d’analyser et post-traiter les résultats. Un algorithme de reconstruction permet de reconstruire un modèle numérique représentatif de l’assemblage testé, où chaque fibre est modélisée par une poutre B31. L’identification de la loi de comportement de la fibre permet alors de réaliser les simulations de la structure testée. La comparaison sur plusieurs types d’échantillons permet de valider la démarche numérique et ainsi de mettre au point un estimateur virtuel utilisable pour simuler le comportement d’assemblage non existant. Par la suite, une stratégie de création d’architectures fibreuses virtuelles est mise au point pour l’étude paramétrique. Celle-ci permet de créer rapidement des architectures de tout type avec des paramètres d’architectures maitrisés. Grâce à l’ensemble des étapes précédentes une étude paramétrique peut être menée et ainsi l’influence de certains paramètres peut être établie : paramètre de la microstructure initiale, diamètre des fibres, facteur de frottement fibre/fibre et trajet de chargement. Cette dernière étape permet de démontrer l’efficacité de la démarche propose et ouvre également de nombreuses perspectives.

The mechanical behaviour of a fibrous reinforcement is fundamental during its shaping for the manufacturing of composite materials. To predict this behaviour, mechanical tests alone are not sufficient. It is therefore necessary to obtain a true behaviour law of the reinforcement based on the parameters of the fibrous structure.The objective of this thesis is to study the mechanical behaviour of an assembly of quasi-parallel fibers. To achieve this objective, it is essential to understand and quantify the influence of the fibrous architecture's parameters on its mechanical behaviour. A mixed experimental/numerical approach is proposed. The numerical strategy involves conducting finite element simulations using explicit dynamics, where each fiber is modelled as a B31 beam, in contact with the others. Experimentally, using assemblies of a few dozen model fibers of 500 microns, compaction/compression tests are conducted under tomography. These tests allow for the observation of the evolution of the fibrous architecture depending on the imposed load and the applied boundary conditions. Microstructure evolution indicators are then defined to analyse and process the results. A reconstruction algorithm enables the creation of a representative numerical model of the tested assembly, where each fiber is modelled by a B31 beam. The identification of the fiber's behaviour law then allows for the simulation of the tested structure. Comparisons across several types of samples validate the numerical approach, thus enabling the development of a virtual estimator that can simulate the behaviour of non-existent assemblies. Subsequently, a strategy for creating virtual fibrous architectures is developed for parametric studies. This strategy allows for the rapid creation of various architectures with controlled parameters. With all the preceding steps, a parametric study can be conducted, establishing the influence of certain parameters : initial microstructure parameters, fiber diameter, fiber/fiber friction factor, and loading path. This final step demonstrates the effectiveness of the proposed approach and also opens up numerous future perspectives.