Etude de la déformabilité de Non-Crimp Fabrics et optimisation du procédé de préformage

par Jean Pourtier

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Damien Soulat et de Xavier Legrand.

Soutenue le 18-06-2019

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de génie et matériaux textiles (Roubaix, Nord) (laboratoire) .


  • Résumé

    Dans un contexte législatif de plus en plus restrictif concernant les émissions de CO2, l’industrie automobile s’intéresse à l’utilisation des matériaux composites hautes performances pour alléger les véhicules. L’utilisation de ces matériaux pour des industries grand volume nécessite d’industrialiser leurs procédés de mises en œuvre, et notamment le préformage des renforts textiles. Il s’agit d’une étape clé puisqu’elle influe sur les paramètres morphologiques du renfort, qui impactent directement les propriétés du matériau composite. Pour leurs performances mécaniques, les Non-Crimp Fabrics sont un type de renforts textiles de plus en plus utilisé pour la fabrication de matériaux composites. Cependant, leurs modes de déformation sont particuliers et plus complexes que ceux des produits tissés, plus largement étudiés et utilisés. Le premier objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit est la compréhension des principaux modes de déformation des Non-Crimp Fabrics. Cette étude est effectuée d’abord au travers des différents tests de caractérisation sur plusieurs architectures de Non-Crimp Fabrics. Des études concernant l’Uniaxial Bias Extension test, qui permet la caractérisation en cisaillement plan des renforts, montrent que ce test est applicable aux Non-Crimp Fabrics en accord avec les hypothèses classiques. Des indicateurs évaluant la fiabilité du test ont été développés. Dans un second temps, une approche cinématique reliant les paramètres d’architecture des Non-Crimp Fabrics à leur déformabilité en cisaillement plan est présentée. Cette approche permet d’optimiser ou d’évaluer rapidement les structures des Non-Crimp Fabrics vis-à-vis de leur déformabilité en cisaillement plan.Le second objectif de ces travaux de thèse est le développement d’un procédé d’estampage séquentiel pour préformer des renforts, et notamment des Non-Crimp Fabrics. Dans un premier temps, un argumentaire géométrique permet d’orienter le développement du procédé d’estampage. Dans un second temps, la simulation numérique par éléments finis est utilisée pour optimiser le procédé vis-à-vis de la spécificité des Non-Crimp Fabrics. Un intérêt particulier est porté sur la calibration de la loi de comportement du matériau MAT140, utilisé dans le cadre de ces travaux de thèse. La corrélation entre la simulation et les résultats expérimentaux est systématiquement étudiée, tant à l’échelle des tests des caractérisations élémentaires qu’à l’échelle de la pièce réalisée.

  • Titre traduit

    Study of the Non-Crimp Fabrics deformability and optimization of the preforming process


  • Résumé

    Due to legacy restrictions concerning CO2 gas emissions, the automotive industry is interested in the use of high-performance composite materials to make vehicles lighter. The manufacturing of composite materials with high production rate requires to industrialize processes, and in particular preforming processes for textile reinforcements. Those processes are a key step since they determine the morphologic parameters of the reinforcements, which directly influence the composite material properties. For their mechanical behaviors, Non-Crimp Fabrics are a type of textile reinforcement more and more used for composite materials manufacturing. However, their deformation modes are specific and more complex than those of woven fabrics. The first aim of the thesis presented in this manuscript is the understanding of Non-Crimp Fabrics main deformation modes. Firstly, several Non-Crimp Fabric behaviors are analyzed thanks to tensile, bending and in-plane shear characterization tests. Specifically, the uniaxial bias extension test is studied and it is shown that the in-plane shear behavior of Non-Crimp Fabrics can be determined in accordance with the test classic assumptions. Moreover, indicators are developed to evaluate the reliability of the test. Secondly, a kinematical approach is presented. This geometrical analysis links the Non-Crimp Fabric parameters to the in-plane shear formability. This approach makes the evaluation and the optimization of Non-Crimp Fabric structures possible, from the in-plane shear formability point of view. The second aim of these thesis works is the development of a sequential stamping process to preform textile reinforcement, and Non-Crimp Fabrics in particular. Firstly, the process is designed thanks to geometrical and kinematical analyses. Secondly, numerical simulations, based on finite elements theory, are used to optimize the process design and the process parameters taking into account Non-Crimp Fabrics specificities. Fabrics are modelized with the MAT140 shell formulation. The calibration of this model is done and analyzed. Correlation between simulation and experimental results are systematically done at the characterization scale as well as at the preform scale.



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