Etude des interactions entre les ondes électromagnétiques de fréquences moyennes et les matériaux composites : application à l'assemblage par induction de ces matériaux

Studies of interactions between electromagnetic waves of medium frequencies and composite materials : application to the welding of these materials by induction

• Auteur / Autrice : Guillaume Wasselynck
• Direction : Javad Fouladgar, Didier Trichet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, Electronique et Génie électrique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chauffage par induction

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Percolation

Soudage statique

Placement aléatoire des fibres

Homogénéisation prédictive

Résumé

Grâce à leurs très bonnes propriétés mécaniques et leur faible poids, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l’industrie. Ce travail se concentre sur les composites à fibres de carbone longues et matrice thermoplastique (CFRP). Pendant le cycle de vie de ces matériaux, un apport de chaleur est nécessaire. Les fibres de carbones étant conductrices, il est possible d’utiliser l’induction pour chauffer les composites. L’objectif de cette thèse est la modélisation 3D d’un système de chauffage par induction de CFRP. Cette modélisation nécessite la compréhension de la circulation des courants induits à l’échelle des fibres. Les CFRP sont des matériaux anisotropes, hétérogènes, avec un positionnement aléatoire des fibres et possèdent un facteur d’échelle important. Pour s’affranchir de cette dernière contrainte, il est nécessaire de passer par une phase d’homogénéisation. Cette homogénéisation se divise en deux étapes. Dans la première étape, les courants induits microscopiques sont étudiés de manière à obtenir le tenseur de conductivité homogène d’un pli de CFRP. Pendant cette étape, le placement aléatoire des fibres dans la section du composite est prise en compte. Dans la deuxième étape, grâce à un modèle éléments finis 3D, ce tenseur est utilisé pour étudier la circulation du courant induit à l’échelle macroscopique. Par la suite, le modèle électromagnétique est couplé à un modèle thermique pour obtenir la distribution des températures dans un CFRP. Ce couplage prend en compte la variation des propriétés physiques en fonction de la température. Les modèles développés ont servi pour l’étude de faisabilité d’une nouvelle technique d’assemblage des CFRP.

Due to their excellent mechanical properties and their light weight, the composite materials have a growing range of applications in industry. This work focuses on long Carbon Fiber Reinforced Polymer composites (CFRP). During the different steps of life cycle of this material, a heating procedure is necessary. Since carbon fibers are conductive, it is possible to use induction to heat the composite. The purpose of this thesis is to establish a model of induction heating of composites. To model this system, it is necessary to understand the eddy current path in the composite. A CFRP is non homogeneous and highly anisotropic. Furthermore, the fibers are randomly distributed in the matrix and there is an important scale factor between the diameter of fibers which is 7 μm and the size of the composite sheet which may be several meters. To overcome these difficulties, a two scales homogenization method is introduced. The composite is divided into elementary bricks which are statically representative of the whole material. In elementary bricks, the microscopic impedances are calculated to obtain the tensor of electrical conductivities along the 3 axes taking into account the different orientations of fibers in different layers. In the macroscopic scale, these conductivities are introduced in a FEM model to determine the current circulation in the composite. Then, the electromagnetic model is coupled to a thermal problem in order to determine the temperature distribution in CFRP. This coupling takes into account the change of physical properties as a function of the temperature. The developed models were used for the feasibility study of a new assembly technique of CFRP.