Modélisation tribo-physique de la coupe des composites FRP : Approches numérique et expérimentale

par Aymen Ben soussia

Thèse de doctorat en Génie mécanique - Procédés de fabrication

Sous la direction de Mohamed El Mansori et de Ali Mkaddem.

Soutenue le 27-06-2014

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Mechanics surfaces and materials processing (MSMP) (laboratoire) et de Mechanics surfaces and materials processing (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Dubar.

Le jury était composé de Mohamed El Mansori, Ali Mkaddem, Frédéric Lachaud.

Les rapporteurs étaient Frédéric Jacquemin, Hervé Pelletier.


  • Résumé

    Depuis des décennies, le processus d'enlèvement de matière des composites à matrices polymères (CMP) ne cesse de susciter des interrogations. La complexité et la multitude des phénomènes physiques activés par la coupe constituent encore un défi d'actualité pour la compréhension et la maitrise du comportement des structures composites. Ce travail propose une analyse multiéchelle fine des phénomènes élémentaires émanant du comportement de chacune des phases constituantes du matériau afin de modéliser leurs couplages multiphysiques potentiels conduisant à la formation du copeau. L'étude est alors hybride conjuguant l'approche expérimentale exprimée par l'essai instrumenté et l'approche numérique exprimée par la modélisation par éléments finis (EF). La formulation du couplage multiphysique a fait l'objet d'une routine VUMAT alliant la mécanique de l'endommagement continu à la mécanique de la rupture par le biais du triptyque élasticité-endommagement-rupture. A la différence des approches binaires de la littérature, le modèle développé dans ce travail s'appuie sur un concept d'endommagement progressif pour prédire la rupture physique des phases, et par conséquent, la formation du copeau. Les mécanismes d'initiation et de propagation de la fissure sont pilotés par les énergies de rupture des phases identifiées selon les normes en vigueur. La gestion du contact par une routine VFRIC a permis d'assurer la synergie entre les propriétés locales de l'interface et les frottements générés. Les calculs ont démontré la pertinence du modèle tridimensionnel proposé dans la simulation des mécanismes de formation du copeau sensiblement à l'orientation et la nature des fibres. La bonne concordance entre les mesures et les prédictions d'efforts de coupe a mis en évidence l'intérêt d'un pilotage rigoureux du contact outil-pièce pour la simulation multiphysique de la coupe.

  • Titre traduit

    Tribo-physical modeling of FRP composites cutting : Numerical and experimental approaches


  • Résumé

    Since several decades, the material removal process of Fiber Reinforced Polymers (FRP) continues to raise technical and scientific queries. The understanding of the multiple and complex phenomena generated when cutting still remains challenging for controlling the behavior of composite structures. This study addresses a multiscale analysis of elementary phenomena associated to each of the composite constituents in order to model the chip formation mechanisms owing to the multiphysical coupling. An investigation combining the experimental approach resulting in the instrumented test and numerical approach allowing to the finite element (FE) development was hence conducted. A VUMAT subroutine was built to express the constitutive formulation coupling the continuum damage mechanics to the failure mechanics by means of the triptych elasticity-damage-failure. Unlike to the binary approaches proposed by the open literature, the model proposed herein bases on the progressive damage concept for predicting the physical failure allowing to the formation of the chip. The crack initiation and growth mechanisms are controlled by the failure energies determined experimentally for each material phase. The efficiency of the VFRIC subroutine to managing the contact properties, i.e. friction, at the tool-material interface was confirmed. The numerical results proved the reliability of the model to simulate the chip formation mechanisms with respect of fiber orientation. The good agreement between the measured and predicted forces proved the interest of the rigorous modeling of the tool-material interface.


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