Étude et analyse multi-échelle du comportement de frottement et de l'usure dans la fabrication de renforts composites tissés

Multi-scale investigation and analysis of the friction behavior and wear in the manufacturing of the woven composite reinforcements

• Auteur / Autrice : Yu Wang
• Direction : Peng Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Mulhouse en cotutelle avec Université de Tianjin
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse) - Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles - LPMT - UR4365 / LPMT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Frottement

Mots clés libres

Composites textiles

Fils/tissus

Multi-échelle

Mécanisme de contact

Friction

Fabrication

Textile composites

Yarns/fabrics

Multi-scale

Contact mechanism

Friction

Manufacturing

Résumé

Dans le processus de fabrication des renforts textiles, la friction entre les fils torsadés joue un rôle clé dans les propriétés mécaniques des composites renforcés de fibres, une friction excessive pouvant les détériorer. Cette étude développe un cadre analytique pour comprendre ce comportement frictionnel. Deux modèles analytiques ont été introduits pour décrire la friction des fils, prenant en compte la dynamique de contact à grande échelle. Les validations expérimentales confirment l'efficacité des modèles, offrant une caractérisation détaillée de la friction dans différentes conditions et révélant l'influence de paramètres critiques sur le comportement des architectures textiles. En outre, un modèle numérique innovant a été développé pour prédire la friction et l'usure des fils, en intégrant des composantes géométriques et mécaniques. Ce modèle prend en compte l'endommagement des fibres selon la théorie de la poutre de Timoshenko et aborde les problèmes de pénétration via un auto-codage. Il a été validé par des résultats expérimentaux et une imagerie micro-CT, confirmant sa précision. Cette méthode fournit des informations précieuses sur la réponse mécanique des fils pendant la fabrication des renforts, permettant une compréhension approfondie des effets des paramètres géométriques et mécaniques sur la friction et l'usure. Des améliorations futures de ce modèle pourront affiner la caractérisation du comportement frictionnel lors de la formation des composites et ainsi optimiser les processus de fabrication pour prolonger la durée de vie des produits tout en réduisant les déchets.

In the manufacturing process of textile reinforcements, friction between twisted yarns is a critical factor that significantly influences the mechanical properties of fiber-reinforced composites. Excessive friction can deteriorate these properties. This study develops a comprehensive analytical framework to understand the friction behavior in the manufacturing of textile reinforcements. Two novel analytical models were introduced to describe friction behaviorof yarns. The models account for the full-scale contact dynamics influenced. Experimental validations confirm the model's efficacy by providing a detailed characterization of friction under various conditions, which reveal the influence of critical parameters on friction behavior of fabric architectures. Additionally, an innovative numerical model for predicting yarn friction and wear behavior was introduced, incorporating both geometric and mechanical components. A yarn model,considering fiber damage behavior based on the Timoshenko beam, was developed to explore friction and wear during reinforcement manufacturing. The model effectively addresses penetration problems through self-coding and was validated by experimental results and microCT imaging, confirming its accuracy. This method provides valuable insights into the mechanical response of yarns during reinforcement manufacturing, allowing for an in-depth understanding of the effect of yarn geometrical and mechanical parameters on friction and wear behavior. Future improvements can further characterize friction behavior during composite forming and optimize the manufacturing process, promoting longer product lifespans and reduced waste.