Conception optimisée de structures constituées de matériaux composites thermoplastiques à fibres continues

par Arnaud Gillet

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Pascal Francescato.

Soutenue en 2007

à l'Université Savoie Mont Blanc .


  • Résumé

    Les matériaux composites à matrice thermoplastique et fibre continue (TPFC) connaissent depuis quelques années un essor important. Les raisons de cette évolution tiennent aux besoins d'optimisation de certaines industries comme l'automobile ou l'aéronautique. Paradoxalement, peu d'études leur sont consacrées. La quasi totalité des essais et des études scientifiques publiées sur les TPFC ont été réalisés sur des composites AS4/PEEK, un matériau d'excellence, reconnu pour ses performances mécaniques proches des composites carbone-époxy classiques. Dans un premier temps, un ensemble de publications est exploité pour mettre en évidence les principales caractéristiques du comportement mécanique de TPFC unidirectionnels (UD). Suite à cette étude, nous proposons un modèle multi-échelle qui reproduit convenablement la réponse d'un stratifié tout en limitant l'effort expérimental et numérique. Cette étude a permis de simuler fidèlement un ensemble d'essais tirés de la littérature et ainsi conforter les hypothèses faites. Une seconde étape du travail de cette thèse concerne l'optimisation de structures composites. La riche bibliographie sur cette thématique nous a permis de cerner les principales exigences industrielles, et de choisir un algorithme génétique, adapté à la spécificité des problèmes traités. Des problèmes simples sont exploités pour comparer les mérites respectifs de divers choix algorithmiques et pour évaluer l'influence des paramètres mécaniques sur les solutions optimales. Enfin, des analyses structurelles sont menées par la méthode des éléments finis intégrant des contraintes technologiques. Ce travail met en évidence l'importance des choix méthodologiques sur la qualité de la solution finale. Les méthodes proposées permettent d'obtenir des solutions quasi-optimales performantes tout en limitant la durée des procédures grâce à une évaluation comparative rigoureuse qui justifie les hypothèses retenues.

  • Titre traduit

    Optimal design of structures constitued of thermoplastic composite materials with continuous fiber


  • Résumé

    Composite materials with thermoplastic matrix and continuous fibre (TPCF) progressed considerably over the past few years. This stems from the needs for optimization of certain industries such as the automotive and aeronautic industries, which are seeking to improve certain design features. Paradoxically, few studies have investigated these products. Nearly all the tests and the scientific studies published on the TPCF were conducted on composites AS4/PEEK composites, an excellent material ,that is recognised for its mechanical performances close to the traditional carbon-epoxy composites. First, the research in this area is reviewed to highlight the main characteristics of unidirectional TPCF. Following this study, we propose a multi-scale model which suitably reproduces the response of a laminate while limiting the experimental and numerical effort. This study made it possible to accurately simulate a whole of tests drawn from the literature and thus to consolidate the made assumptions. The second stage of the work of this thesis investigates the optimization of composite structures. A review of the abundant bibliography on this topic provided the principal main industrial requirements, which led to the choice of the genetic algorithm adapted to the specificity of the problems involved. Thereafter, simple problems were tested to compare the respective merits of various algorithmic choices and to evaluate the influence of the mechanical parameters on the optimal solutions. Lastly, the structural analyses were carried out by using the finite element method integrating technological constraints. This work highlights the importance of the methodological choices on to the quality of the final solution. The methods suggested make it possible to obtain good quasi-optimal solutions while limiting the duration of the procedures thanks to a rigorous comparative evaluation which justifies the assumptions selected.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (173 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.161-173. Index

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