Étude et compréhension des phénomènes dynamiques lors d’un impact : Application à un système d’absorption de chocs en composites pour le secteur automobile

Study and understanding of dynamic phenomena during an impact : application to a composite shock absorption system for the automotive sector

• Auteur / Autrice : Jérémy Niez
• Direction : Pierre Chevrier, Julien Capelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 21/06/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Zitouni Azari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Chevrier, Julien Capelle, Christine Espinosa, Catherine Gardin, Benoît Blaysat, Vanessa Bouchart, Marie-Laetitia Pastor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Espinosa, Catherine Gardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Essais dynamiques

Transfert d'énergie

Choc (mécanique)

Composites

Mots clés libres

Composites

Comportement au choc

Absorption d’énergie

Essais dynamiques

Éléments Finis

Composites

Shock response

Energy absorption

Dynamic tests

Finite Elements

Résumé

Dans le domaine de l'automobile, l'absorption de l'énergie cinétique libérée lors d'un choc est en partie réalisée par la déformation plastique de pièces métalliques. Or, suite au durcissement des lois sur l'émission de gaz à effet de serre, le secteur automobile cherche à réduire la masse des véhicules et ainsi limiter la consommation en carburant ayant pour effet la diminution de la production de gaz nocifs. L'objectif de la thèse est de proposer de nouveaux systèmes d'absorption d'énergie plus légers et plus performants, conçus à partir d’un matériau composite de fibres de verre à matrice thermoplastique. Ces nouveaux matériaux ont comme avantage de présenter de meilleures performances en matière d’absorption d’énergie et une densité plus faible que celles des matériaux actuels, tout en étant recyclables. En ce qui concerne les composites, l'absorption d'énergie est due à un ensemble de phénomènes d'endommagements (rupture, délaminage...). La compréhension de la rupture des systèmes en composites est donc primordial : comprendre le scénario réel d'écrasement est indispensable afin d'optimiser le type de composite utilisé et la géométrie des pièces et in fine maximiser l'énergie absorbée. Dans ce but, une phase de cartographie du matériau a été réalisée afin d’améliorer notre compréhension du matériau mais également de fournir les paramètres mécaniques nécessaires à la conception d’un modèle numérique d’Eléments Finis sous Abaqus. La propriété de pseudoplasticité du stratifié +/-45° a été mise en évidence ainsi que ses bénéfices en matière d’absorption de choc. L’influence de l’orientation des plis et du taux de déformation sur la réponse du stratifié a été vérifiée afin de proposer un stratifié optimal quant à l’absorption de chocs. Enfin, une étude des paramètres géométriques a conduit à l’optimisation de la section de la pièce « absorbeur » ainsi qu’à l’utilisation d’éléments « triggers » afin de profiter du potentiel du matériau et de maximiser la quantité d’énergie absorbée. Le choix d’une section carrée avec un nombre de plis optimisé, couplée à l’utilisation d’un trigger permet de profiter de la déformation pseudoplastique du composite et d’endommager le stratifié afin de maximiser la SEA finale, et ce quelle que soit la vitesse du choc.

In the automotive field, the absorption of the energy released during a car crash is partly achieved by the plastic deformation of metal absorbers and bumper beam. However, with the tightening of laws on the emission of greenhouse gases, the automotive sector seeks to reduce the mass of vehicles and thus limit consumption and therefore the production of harmful gases. The aim of the thesis is to propose new lighter and more efficient energy absorbing systems based on the optimization of a thermoplastic matrix glass fiber composite material. These new materials, whose mechanical properties are similar to metals ones, have the advantage of introducing greater performance in terms of energy absorption and lower density than current materials, while being recyclable. As regards composites, the energy absorption is in particular due to a set of phenomena of damages (rupture, delamination ...). The understanding of the rupture of composite systems is therefore essential: understanding the real crushing scenario makes it possible to optimize the type of composite used and the geometry of the pieces in order to maximize the energy absorbed. In this goal, a first material mapping phase was launched in order to improve our understanding of the material but also to provide the mechanical parameters necessary for the elaboration of a numerical model of Finite Elements under Abaqus. The pseudoplasticity property of +/- 45 ° laminated composite was highlighted as well as its energy absorption benefits. From these data, a more precise study phase was conducted on the impact behavior of the composite in order to understand and optimize the damage mechanisms responsible for the energy absorption released during a crash. The influence of ply orientation and strain rate on the laminate’s response has been checked to provide an optimal material for shock absorption. Finally, a study of the geometrical parameters led to the optimization of the section of the absorber as well as to the use of triggers to take advantage of the potential of the material and to maximize the amount of energy absorbed. Indeed, the choice of a square section, relatively simple to produce, with an optimized number of plies, coupled with the use of the trigger "knives" allows us to use the potential of the pseudoplastic deformation of the composite and to damage the laminate to finally maximize the Specific Energy Absorption regardless of the speed of the shock.