Numerical and experimental study of machining titanium-composite stacks

par Jinyang Xu

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Mohamed El Mansori.

Le président du jury était Fabrice Pierron.

Le jury était composé de Mohamed El Mansori, Robert Piquet.

Les rapporteurs étaient Steven Y. Liang, Hervé Pelletier.

  • Titre traduit

    Étude numerique et experimentale de l'usinage des materiaux hybrides titane-composites


  • Résumé

    Dans l’industrie aérospatiale, l’utilisation des matériaux hybrides CFRP/Ti montre une tendance à la hausse en raison de leurs propriétés mécaniques/physiques améliorées ainsi que des fonctions structurelles plus flexibles. En dépit de leurs nombreuses applications, l’usinage CFRP/Ti en perçage en une seule passe reste le principal défi scientifique et technologique de l’assemblage multi-matériaux. Par rapport au coût de production élevé et le temps des recherches basées sur des approches exclusivement expérimentales de l’usinage multi-matériaux, cette étude a pour objectif d’amener une meilleure compréhension de la coupe CFRP/Ti à travers une approche physique hybride qui fait dialoguer les méthodes numériques et expérimentales. Un modèle EF utilisant le concept de zone cohésive a été développé pour étudier l’usinabilité anisotrope de pièces structurales CFRP/Ti à des fins d’assemblage. L’approche numérique explicite, par des études préliminaires, les mécanismes de coupe clés qui contrôlent l’usinage CFRP/Ti. Par la suite, l’approche expérimentale a été conduite sous différentes conditions d’usinage en configuration de coupe orthogonale et de perçage. Une attention spéciale a été consacrée aux effets des stratégies des séquences de coupe CFRP/Ti sur la formation des endommagements d’interface induits. Ces études expérimentales et numériques ont permit (i) d’expliciter les mécanismes physiques activés qui contrôlent la coupe à l’interface ainsi que les endommagements induits par celle-ci, (ii) de préciser les effets des différentes stratégies d’assemblage multi-matériaux sur l’usinage CFRP/Ti, (iii) de définir la classification d’usinabilité CFRP/Ti, et (iv) d’analyser enfin les effets paramétriques géométrie/matériau d’outil régissant l’opération d’usinage CFRP/Ti.


  • Résumé

    In modern aerospace industry, the use of hybrid CFRP/Ti stacks has experienced an increasing trend because of their enhanced mechanical/physical properties and flexible structural functions. In spite of their widespread applications, machining hybrid CFRP/Ti stacks in one-shot time still consists of the main scientific and technological challenge in the multi-material fastening. Compared to the high cost of pure experimental investigations on the multi-material machining, this study aims to provide an improved CFRP/Ti cutting comprehension via both numerical and experimental methodologies. To this aim, an FE model by using the cohesive zone concept was established to construct the anisotropic machinability of the bi-material structure. The numerical work aims to provide preliminary inspections of the key cutting mechanisms dominating the hybrid CFRP/Ti stack machining. Afterward, some systematic experimental work including orthogonal cutting and hole drilling was carefully performed versus different input cutting conditions. A special focus was made on the study of the effects of different cutting-sequence strategies on CFRP/Ti cutting output and induced interface damage formation. The combined numerical-experimental studies provide the key findings aiming to (i) reveal the activated mechanisms controlling interface cutting and subsequent interface damage formation, (ii) clarify the influences of different cutting-sequence strategies on hybrid CFRP/Ti stack machining, (iii) outline the machinability classification of hybrid CFRP/Ti stacks, and (iv) analyze finally the parametric effects of the material/tool geometry on cutting CFRP/Ti stacks.


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