Modélisation et simulation de la mise en forme des composites préimprégnés à matrice thermoplastiques et fibres continues

Modelling and simulation of the forming of continuous fibre thermoplastics composites

• Auteur / Autrice : Eduardo Guzman Maldonado
• Direction : Philippe Boisse, Nahiène Hamila
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 22/02/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Drapier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Boisse, Nahiène Hamila, Sylvain Drapier, Didier Delaunay, Philippe Olivier, Jérôme Bikard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Delaunay, Philippe Olivier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres

Thermoplastiques

Matières plastiques, Travail des

Mots clés libres

Mécanique

Modélisation

Matériaux composites

Thermomécanique

Thermoplastique

Thermique

Propriétés thermiques

Viscoélasticité

Mise en forme

Mechanical

Modelization

Composite Material

Thermomechanical

Thermoplastic

Thermics

Thermal properties

Fitness

Résumé

Les matériaux composites sont largement employés dans le domaine aérospatial grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, leur résistance aux chocs et à la fatigue, tout en restant plus légers que les matériaux conventionnels. Au cours des dernières années, l'industrie automobile a montré un intérêt croissant pour les procédés de fabrication et de transformation de matériaux composites à matrice thermoplastiques. Cela favorisé par le développement et l'optimisation des procèdes de mise en forme tels que le thermostampage, en vue de la réduction de temps de cycle. La modélisation et la simulation de ce procédé sont des étapes importantes pour la prédiction des propriétés mécaniques et de la faisabilité technique des pièces à géométrie complexe. Elles permettent d'optimiser les paramètres de fabrication et du procédé lui-même. À cette fin, ce travail propose une approche pour la simulation de la mise en forme des matériaux composites préimprégnés thermoplastiques. Un modèle viscohyperélastique avec une dépendance à la température a été proposé dans l'objectif de décrire le comportement du composite thermoplastique à l'état fondu. Et permets de faire des simulations de mise en forme à différentes températures. Au cours cette simulation, des calculs thermiques et mécaniques sont effectués de manière séquentielle afin d'actualiser les propriétés mécaniques avec l'évolution du champ température. L'identification des propriétés thermiques sont obtenues par homogénéisation à partir des analyses au niveau mésoscopique du matériau. La comparaison de la simulation avec le thermoformage expérimental d'une pièce représentative de l'industrie automobile analyse la pertinence de l'approche proposée.

Pre-impregnated thermoplastic composites are widely used in the aerospace industry for their excellent mechanical properties, impact resistance and fatigue strength all at lower density than other common materials. In recent years, the automotive industry has shown increasing interest in the manufacturing processes of thermoplastic-matrix composites materials, especially in thermoforming techniques for their rapid cycle times and the possible use of pre-existing equipment. An important step in the prediction of the mechanical properties and technical feasibility of parts with complex geometry is the use of modelling and numerical simulations of these forming processes which can also be capitalized to optimize manufacturing practices.This work offers an approach to the simulation of thermoplastic prepreg composites forming. The proposed model is based on convolution integrals defined under the principles of irreversible thermodynamics and within a hyperelastic framework. The simulation of thermoplastic prepreg forming is achieved by alternate thermal and mechanical analyses. The thermal properties are obtained from a mesoscopic analysis and a homogenization procedure. The comparison of the simulation with an experimental thermoforming of a part representative of automotive applications shows the efficiency of the approach.