Mise en place d’un outil de simulation du procédé de mise en forme de préformes aéronautiques sèches HiTape®.

par Bastien Durif

Thèse de doctorat en Mécanique et Ingénierie

Sous la direction de Nicolas Moulin et de Sylvain Drapier.

Soutenue le 13-09-2022

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de Ed Sis 488 , en partenariat avec École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre Science des Matériaux et des Structures (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuelle Vidal-Sallé.

Le jury était composé de Emmanuelle Vidal-Sallé, Peng Wang, Christophe Binétruy, Laure Bouquerel.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Vidal-Sallé, Peng Wang.

mots clés

• Composite
• Mise en forme
• Renfort unidirectionnel
• AbaqusTM
• Élément embarqué
• Découplage membrane-flexion
• Frottement
• Zone cohésive
• Composites
• Composites à renforts particulaires
• Frottement
• Aéronautique

Résumé

Ce travail de thèse, mené conjointement entre l’école des Mines de Saint-Etienne et Hexcel Reinforcements, a pour objectif de modéliser et simuler l’étape de mise en forme d’empilements, initialement plans, de renforts HiTape®. Ces renforts, développés par Hexcel Reinforcements, sont des renforts unidirectionnels secs composés de fibres de carbones et d’un voile thermoplastique disposé de part-et-d’autre du pli. S’appuyant sur les travaux de caractérisation réalisés au cours d’une thèse antérieure, un modèle éléments finis d’un pli de renforts HiTape® est développé à l’aide du code de calcul AbaqusTM. Associant éléments solides-coques et membranes au sein d’un même maillage, ce modèle permet notamment de modéliser le découplage des comportements de membrane et de flexion hors-plan caractéristique des renforts fibreux. L’expérience ayant mis en évidence la non-linéarité de la rigidité de flexion de ces renforts, un modèle de comportement permettant le calcul de la courbure locale pli pour modifier individuellement la rigidité de flexion de chaque éléments solides-coques est mis en œuvre. Ce modèle de pli unitaire offrant de bons résultats lors d’une confrontation à l’expérience, une extension à des cas d’empilements a été faite. Cette extension s’accompagne du besoin de modéliser le comportement des régions inter-pli. Une approche par surface cohésives est choisie, associée à une loi de comportement cohésive dépendante de la pression de contact, développée via une subroutine UINTER. La mise en application de ce modèle d’empilement montre de bons résultats lors d’une confrontation à l’expérience mais montre également ses limites lorsqu’une compaction est appliquée à la préforme.

mots clés

• Composite Forming
• UD dry Reinforcement
• Finite elements
• Embedded elements
• Membran-bending decoupling
• Friction
• Cohesive zone model
• AbaqusTM

Titre traduit

Implementation of a simulation tool for the HiTape® dry aeronautical preform forming process.

Résumé

This PhD work, conducted jointly by the Mines Saint Etienne Engineering School and Hexcel Reinforcements, aims to model and simulate the forming stage of an initially flat stack of HiTape® reinforcements. These reinforcements, developed by Hexcel Reinforcements, are unidirectional dry reinforcements composed of carbon fibres and a thermoplastic veil on either side of the ply. Based on characterisation work carried out during a previous PhD work, a finite element model of a HiTape® reinforcement ply is developed using the AbaqusTM computation code. Combining solid-shell and membrane elements within the same mesh, this model permits to decouple the membrane and the out-of-plane bending behaviours of fibrous reinforcements. Based on the nonlinearity of the bending stiffness of these reinforcements highlighted by experiments, a behaviour model calculating the local ply curvature to individually modify the bending stiffness of each solid-shell element is implemented. This model provides good results when compared to experience, that is why an extension to the forming of a stack has been studied. This extension needs to model the behaviour of inter-ply regions as well. A cohesive surface approach was chosen, associated with a contact pressure dependent cohesive behaviour law, developed via an UINTER subroutine. The application of this stacking model shows good results when compared to experiment but also shows its limits when compaction is applied to the preform.