Modélisation d'un harnais Jacquard pour le tissage interlock 3D : étude numérique et validation expérimentale

Modeling of a Jacquard harness for 3D interlock weaving : numerical study and experimental validation

• Auteur / Autrice : Salah Eddine Mermouli
• Direction : Damien Durville, Pietro Del Sorbo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe Safran
• Jury : Président / Présidente : Artan Sinoimeri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Soulat, Olivier Brüls, Federica Daghia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Soulat, Olivier Brüls

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frottement

Métiers à tisser Jacquard

Simulation

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Simulation par éléments finis

Interactions de contact frottement

Tissage interlock 3D

Harnais Jacquard

Finite element simulation

Frictional contact interactions

3D interlock weaving

Jacquard harness

Résumé

Le procédé de tissage interlock 3D est utilisé pour la réalisation de préformes textiles à partir des torons de carbone pour produire des pièces composites. L'application des composites tissés 3D pour la production des aubes de soufflante du moteur LEAP, développé par le groupe Safran, offre un exemple de cette avancée. Ces tissus, caractérisés par un ensemble de couches entrelacées, sont produits sur des métiers à tisser Jacquard qui intègrent un grand nombre de composants (lisses et fils) dans l'espace confiné du harnais : la zone où les fils de chaîne sont le plus soumis aux effets de frottement. Lors du processus de tissage 3D, les mouvements relatifs entre les fils de chaîne et les lisses génèrent des interactions de contact-frottement dans le harnais qui peuvent conduire à des mécanismes de congestion. Potentiellement, si les forces de frottements entre les composants du harnais sont importants, cela peut endommager les fils ou bloquer le mouvement des lisses, entraînant ainsi des erreurs dans le tissage.Ce travail se focalise de l'étude des mécanismes de congestion au sein du harnais Jacquard à l'aide de la méthode des éléments finis. Dans ce contexte, nous proposons un modèle de simulation qui exploite le logiciel Multifil. Les paramètres de simulation sont mis en œuvre sur la base des conditions réelles de fonctionnement du métier Jacquard. Dans ce modèle, les composants du harnais sont représentés à l'aide d'un modèle de poutre en prenant en compte les interactions de contact - frottement. Les lisses ont été modélisées comme étant constituées d'un assemblage de dix portions de poutres représentant leurs différentes parties (la corde, les tringles, l'œillet et le ressort). Les fils de chaîne sont modélisés comme des poutres avec des coefficients de rigidité en flexion et en torsion ajustés. En outre, pour représenter l'effet du reste de harnais sur la partie considérée, des plans mobiles rigides pilotés en effort sont utilisés. La finalité de l'étude numérique est de déterminer l'évolution des efforts des lisses dues aux forces d'interactions de contact - frottement à l'intérieur du harnais et de prévenir les éventuels événements de blocage par le biais de la simulation de cartons de tissage réels. Les résultats de la simulation ont mis en évidence la capacité de l'outil Multifil à reproduire les mécanismes de congestion au sein du harnais. Nous avons réussi à repérer les zones de frottement critiques, en particulier au début et à la fin des cycles d'ouverture de foule. Ces deux zones se caractérisent par une densité élevée de fils, ce qui peut entraîner des situations de coincement / décoincement des fils de chaîne en fonction de l'intensité des interactions de contact-frottement. De plus, l'analyse de sensibilité qui a été entreprise pour évaluer l'impact des paramètres, a mis en lumière l'influence significative des forces latérales exercées par les plans rigides sur la partie du harnais considérée. Une attention particulière a été portée à l'investigation des événements de blocage et des mécanismes de traversée de nappes. A travers les différents cas d'études, des situations de blocage ont été identifiées lorsque des fils traversent une nappe de chaînes. D'autres situations d'entraînements des fils de chaînes par des œillets lors de leurs mouvements ont été également soulignés. En vue de valider notre modèle de simulation, nous avons mis en place un système de mesure des tensions au sein des lisses sur un métier à tisser. Des capteurs piezorésistifs ont été intégrés dans les cordes du harnais afin de détecter l'évolution de résistance électrique pendant les séquences, permettant ainsi la mesure de l'effort exercé sur les lisses. La comparaison entre les résultats issus de la simulation et les données expérimentales a démontré un bon accord, ce qui permet la validation de notre modèle.

The 3D interlock weaving process is used to make textile preforms from carbon threads to produce composite parts. The application of 3D woven composites to the production of fan blades for the LEAP engine, developed by the Safran group, provides an example of this progress. These fabrics, characterized by a large number of interlocking layers, are produced on Jacquard looms that integrate a large number of components ( heddles and threads) in the confined space of the harness : the area where warp threads are most subject to frictional effects. During the 3D weaving process, relative movements between warp threads and heddles generate contact-friction interactions in the harness that can lead to congestion mechanisms. Potentially, if frictional forces between harness components are high, this can damage threads, block heddle movement and, ultimately, lead to weaving errors. This work focuses on the study of congestion mechanisms within the Jacquard harness using the finite element method. In this context, we propose a simulation model using Multifil software. The simulation parameters are implemented according to the machine's actual operating conditions. In this model, harness components are represented using beam elements by taking into account contact-friction interactions. The heddles are modeled as a junction of ten beam parts (nylon cord, rods, eyelet and spring). The warp threads are modeled as beam components with adjusted bending and twisting stiffness coefficients. In addition, the lateral force exerted by the remaining harness on the part under consideration is prescribed using rigid moving planes driven by force. The aim is to determine the variations in heddle forces due to contact-friction interactions within the harness, and to prevent potential blocking events by simulating virtual tests representative of real weaving patterns. The simulation results highlighted the ability of the Multifil tool to accurately reproduce congestion mechanisms within the harness. We successfully identified critical friction zones, whether at the beginning or at the end of the shed opening cycle. These areas can experience instances of warp thread blocking due to the high density of layers and the interactions of contact and friction. Furthermore, as part of our study, a sensitivity analysis was conducted to assess the impact of various parameters. This analysis highlighted the significant influence of the lateral forces exerted by the rigid planes on the studied portion of the harness. Special attention was given to investigating blocking events and layer-crossing mechanisms. Across different case studies, blocking situations were identified when threads run accros a warp layer. Other situations involving the driving of warp threads by eyelets during their movements were also highlighted.In order to validate our simulation model, we set up a system for measuring heddle tensions on a loom. Specially designed piezoresistive sensors were integrated into the harness cords to record changes in resistance during shedding process and determine the effort in the heddles. A comparison between simulation results and experimental data revealed significant agreement, thus reinforcing the validity of the numerical model.