Contribution à la modélisation du comportement mécanique de structures sandwichs 3D par homogénéisation périodique

On the modelling of the mechanical behaviour of a 3D reinforced composite sandwich structure using periodic homogenization techniques

• Auteur / Autrice : Cyril Lainé
• Direction : Christophe Binétruy, Philippe Le Grognec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 28/03/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord). Département Technologie des Polymères et Composites et Ingénierie Mécanique
• Partenaire(s) de recherche : École d'ingénieurs : École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord ; 1878-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plaques et coques élastiques

Plaques (ingénierie)

Cisaillement (mécanique)

Flambage (mécanique)

Éléments finis, Méthode des

Composites

Propriétés mécaniques

Matériaux sandwichs

Mots clés libres

Aiguilletage transverse

Homogénéisation

Résumé

Les sandwichs composites 3D présentent de meilleures caractéristiques mécaniques que les sandwichs traditionnels, en particulier dans la direction de l'épaisseur. Les structures étudiées dans ce travail sont des sandwichs renforcés via la technologie d’aiguilletage transverse Napco®. Dans un premier temps, une analyse expérimentale complète est réalisée (fabrication des renforts, mise en oeuvre du composite, essais mécaniques de caractérisation, mesure des paramètres géométriques et matériels), permettant une meilleure connaissance et compréhension de l'architecture de ces structures et de leur comportement mécanique. Par la suite, on s'intéresse à la détermination des modules élastiques effectifs des sandwichs, par l'utilisation de différentes méthodes d'homogénéisation (périodique), analytiques et numériques, afin de pouvoir construire un modèle macroscopique équivalent de type plaque. Une attention particulière est portée au comportement hors plan, à savoir au flambement des renforts lors de la compression dans l'épaisseur et à l'importance de la prise en compte des effets du cisaillement transverse. Des modèles analytiques sont développés en 2D et un programme en langage PythonPM (sur Abaqus) permet d'automatiser la modélisation et le post-traitement des résultats lors des calculs numériques par éléments finis. Les résultats obtenus sont validés, soit par des calculs numériques de structures, soit par comparaison à des valeurs expérimentales, pour différents panneaux avec des densités de renforts variées.

3D composite sandwichs have superior mechanical characteristics compared to usual composite sandwichs, in particular in the through-thickness direction. The structures studied in this work are 3D reinforced sandwichs using the Napco® technology which is based on transverse needling. In a first step, a complete experimental study is realized (creation of the through-thickness reinforcements, composite manufacturing by infusion process, experimental tests, measurement of geometric and material parameters) lead to better understanding of the sandwich architecture and their mechanical behaviour. In a second step, an interest is carried on the determination of the effective mechanical properties of this structures, using different homogenization techniques (periodic), analytical and numerical, in order to assess an equivalent plate model. An interest is devoted to the out-of-plane behaviour such as buckling of the reinforcements during compressive loading in the thickness direction and the importance to take into account the effects of transverse shear. Analytical models have been developed in 2D and a PythonPM program (using Abaqus software) have been created, allowing a fully parameterized modelling and mechanical analysis. The results are finally validated, using numerical computations on 3D heterogeneous structures or by experimental results, for several sandwichs considering different density of reinforcements.