Soutenance mémoire
Généralités sur les matériaux composites
La course à la performance de nombreux secteurs d’activités (aéronautique et spatiale, automobile, énergie …) nécessite l’utilisation de nouveaux matériaux. Les industries de hautes technologies développent ainsi des matériaux permettant de répondre aux nouvelles exigences alliant souvent légèreté et performance. Les matériaux composites présentent une bonne alternative aux alliages ou super alliages métalliques. En effet, ils offrent, pour une densité équivalente, des performances supérieures aux métaux ou alliages classiques. Un matériau est qualifié de ‘composite’ lorsqu’il est constitué d’au moins deux phases. Il est donc par définition hétérogène. Un matériau composite est structurellement composé d’une matrice et de renforts (fibres, billes, copeaux, charges …). Les renforts assurent la tenue mécanique tandis que la matrice assure la cohésion de la structure. La matrice permet aussi la transmission des efforts vers les renforts. Le terme « composite », n’apportant aucun indice sur sa structure interne ou sur la nature des constituants, ne sut pas à la caractérisation d’un matériau. Il existe ainsi de nombreuses familles de matériaux composites. Dans cette étude, seule la famille des matériaux composites à fibres sera considérée. Dans les matériaux composites à fibres, deux types de renforts sont distingués : les fibres discontinues et les fibres continues. Les fibres discontinues du composite sont courtes (< mm) ou longues (> mm) et, en général, dispersées de manière aléatoire au sein de la matrice. Cette répartition ne permet pas d’obtenir des directions privilégiées aux fibres donnant au composite un comportement isotrope. Cependant, les procédés de mises en formes, de ces composites à fibres discontinues, peuvent provoquer une certaine orientation des fibres et donc un comportement anisotrope. Les matériaux composites à fibres continues sont qualifiés de matériaux architecturés. Dans ces composites les renforts se présentent sous formes de fibres continues orientées permettant d’obtenir, selon une ou plusieurs directions, des performances mécaniques élevées. Parmi ces matériaux architecturés, deux catégories se différencient : les composites unidirectionnels (UD) et les composites textiles. Les unidirectionnels (UD) possèdent des fibres continues parallèles. L’empilement de couches d’unidirectionnels, possédant des orientations différentes, permet de réaliser un stratifié (Fig. 1.1). Les composites textiles, quant-à eux, présentent des architectures plus complexes. Les renforts, bi ou tri-dimensionnels, qualifiés de nappes sont des tissés, des tricotés, des tressés ou des cousus. Le stratifié peut aussi être formé par la superposition de plusieurs nappes de renforts textiles en lieu et place des couches d’unidirectionnels. Pour les deux configurations, couches ou nappes, les plis successifs sont, en général, orientés différemment (classiquement 0 °, 45 °, 90 °, -45 °). Le nombre de plis varie de quelques uns à plusieurs dizaines de couches ou nappes.
Notions et définitions
La fibre : la fibre est un monolament possédant un rapport géométrique longueur sur rayon très important. C’est l’élément structurel le plus fin d’un composite textile. La mèche : la mèche (ou le filament) est un groupement parallèle de fibres. Le nombre de fibres peut varier mais il est, en général, de l’ordre de la centaine. Le toron : le toron est un assemblage torsadé de mèches. Pour être qualifié de toron, les mèches parallèles et juxtaposées doivent ensuite être enroulées en hélice autour de l’axe longitudinal permettant d’assurer une cohésion à l’ensemble. Le fil : le fil est un regroupement filé ou torsadé de fibres. Selon l’arrangement des fibres, il peut être qualifié de mèche ou de toron. Les fils de chaîne : les fils de chaîne sont les fils possédant la même orientation que la direction de défilement du tissu dans le métier à tisser. Ils se trouvent par conséquent toujours dans le sens de la longueur du tissu. Les fils de liage : les fils de liage sont une famille de fils de chaîne permettant d’assurer la cohésion dans son épaisseur d’un tissu 3D. Les fils de renfort : les fils de renforts sont aussi une famille de fils de chaîne utilisés pour les composites tissés 3D. Ils sont colinéaires à la direction chaîne et ne présentent aucune ondulation. Les fils de trame : les fils de trame sont les fils perpendiculaires aux fils de chaîne et se trouvent dans la largeur du tissu. La couche : une couche caractérise les renforts unidirectionnels au sein d’un pli. Les tangentes locales des fibres sont contenues dans un plan unique formant ainsi une couche de renforts.
Vulcanisation
La vulcanisation est un procédé chimique entrainant la réticulation d’un élastomère avec un agent vulcanisant [Petitet et Barquins, 2008]. À l’état brut, l’élastomère ne possède que des liaisons faibles (forces de van der Waals), la vulcanisation va permettre la création de ponts entre les chaînes moléculaires (liaisons fortes) assurant notamment une amélioration des propriétés élastiques. Le revêtement, avant vulcanisation, est un mélange cru obtenu après malaxage d’un élastomère avec plusieurs ingrédients dont au moins un agent vulcanisant. Les autres ingrédients permettent, par exemple d’accélérer le procédé chimique, de colorer, de ramollir ou encore d’augmenter la résistance à certaines problématiques fonctionnelles (feu, acides, humidité …). La vulcanisation est une étape indispensable afin d’obtenir un revêtement avec les propriétés souhaitées (mécaniques, thermiques, électriques …).
La mesure du diamètre
La connaissance du diamètre des fibres est nécessaire pour passer de la force, relevée par la cellule de charge, à la contrainte nominale. Ce passage permet ainsi de comparer, entre elles, des fibres possédant différents diamètres. La mesure du diamètre est effectuée, pour chaque fibre, par quatre mesures le long de la fibre. La valeur moyenne de ces mesures a été utilisée pour calculer la section transversale. Devant la très faible variabilité du diamètre le long de la fibre, ce choix n’aura qu’une faible influence sur les valeurs des contraintes à rupture qui seront utilisées pour l’approche probabiliste (Chapitre 10). D’un point de vue technique, les diamètres des fibres ont été mesurés par un Mitutoyo LSM-6000, qui est un multifaisceau laser. Le fonctionnement de cet appareil consiste à mesurer la durée de la perturbation, exercée par la fibre, pendant le balayage du faisceau laser. La durée de l’interruption du signal est dépendante de la taille de la fibre, mais aussi de sa nature, via son indice de réfraction. Afin d’obtenir une précision optimale (± 0,1 µm), il est donc nécessaire d’étalonner l’appareil à l’aide d’une fibre de même nature possédant un diamètre connu et voisin. La fibre étalon est mesurée précisément au Microscope Electronique à Balayage (MEB).
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Table des matières
Introduction générale
Contexte
Objectifs et démarche de l’étude
Organisation du manuscrit
Partie I COMPOSITES ET MATÉRIAUX, PRÉSENTATION ET DÉFINITION
Chapitre 1 Les composites tissés et les matériaux de l’étude
1.1 Généralités sur les matériaux composites
1.2 Les composites textiles
1.2.1 Notions et définitions
1.2.2 Tissus bidimensionnels
1.2.3 Tissus tridimensionnels
1.2.4 Avantages et inconvénients des composites tissés
1.3 Nomenclature des tissus
1.4 La bande transporteuse
1.4.1 Fonctionnement et sollicitations
1.4.2 Composition
1.4.3 Fabrication d’une bande
1.5 Les matériaux de l’étude
1.5.1 Les torons en fibres thermoplastiques
1.5.2 Les fibres PA66
1.5.3 Les fibres PET
1.5.4 La matrice et le revêtement PVC
1.5.5 Le revêtement en élastomère
1.6 Le composite tissé interlock 2,5D
Chapitre 2 Notations, repères et choix de l’échelle de travail
2.1 Description générale de la structure étudiée et choix des échelles d’étude
2.1.1 Description de la géométrie de la structure
2.1.2 Description des matériaux et des échelles de description possibles
2.1.3 Choix des échelles de travail et justification de l’emploi d’une analyse de type multiéchelle
2.2 Repère d’anisotropie des matériaux à l’échelle mésoscopique
2.2.1 Cas général
2.2.2 Les matériaux massifs
2.2.3 Les matériaux composites unidirectionnels
2.2.4 Les matériaux composites tissés
2.3 Position des repères d’anisotropie à l’échelle macroscopique
2.3.1 Hypothèse sur la stratification des matériaux de la structure
2.3.2 La structure à l’échelle structurale
2.3.3 La structure à l’échelle macroscopique
2.4 Notations pour le calcul multiéchelle
2.4.1 Échelle macroscopique
2.4.2 Échelle mésoscopique. Cas général
2.4.3 Échelle mésoscopique. Cas des matériaux composites tissés
Chapitre 3 Caractérisation mécanique de la bande à l’échelle macroscopique
3.1 Objectifs
3.2 Procédure expérimentale
3.2.1 L’éprouvette de traction
3.2.2 Dispositif expérimental
3.3 Essais de traction monotone uniaxiale
3.3.1 Caractéristiques des essais
3.3.2 Résultats
3.4 Essais de traction cyclique uniaxiale
3.4.1 Caractéristiques de l’essai
3.4.2 Résultats
Chapitre 4 Caractérisation mécanique des constituants de la carcasse
4.1 Objectifs
4.2 Caractérisation mécanique des fibres
4.2.1 Les fibres thermoplastiques
4.2.2 Procédure expérimentale
4.2.3 Essais de traction
4.3 Distribution statistique de la contrainte à rupture des fibres PET
4.3.1 Distribution des contraintes à rupture des fibres PET
4.3.2 Distribution statistique de Weibull
4.4 Caractérisation mécanique des fils
4.4.1 Les assemblages de fibres
4.4.2 Procédure expérimentale
4.4.3 Résultats
4.5 Caractérisation mécanique de la matrice PVC
4.5.1 Descriptif de l’essai
4.5.2 Résultats
4.6 Caractérisation mécanique des constituants. Synthèse
Chapitre 5 Caractérisation de la dégradation de la bande
5.1 Objectif et démarche
5.2 Matériau sain
5.2.1 Échelle macroscopique
5.2.2 Échelle mésoscopique
5.3 Matériau dégradé
5.3.1 Échelle macroscopique
5.3.2 Échelle mésoscopique
5.4 Synthèse
Partie III OPTIMISATION NUMÉRIQUE DES COMPOSITES TISSÉS
Chapitre 6 Identification du comportement mécanique des constituants
6.1 Objectif
6.2 Z-set
6.3 Lois de comportement
6.3.1 La matrice PVC
6.3.2 Les fils PA66 et PET
6.4 Identification et justification des paramètres
6.4.1 La matrice PVC
6.4.2 Les fils PA66 et PET
6.5 Repères locaux numériques
Chapitre 7 Modélisation de la rupture des fils par une approche locale
7.1 La modélisation des matériaux composites tissés 3D
7.1.1 Propriétés mécanique
7.1.2 Mécanismes de dégradation
7.2 Variable déclenchant l’endommagement et critère de rupture
7.2.1 Présentation et justifications
7.2.2 Algorithme et implémentation
7.3 Application sur une cellule élémentaire
7.3.1 Conditions aux limites
7.3.2 Résultats
Chapitre 8 Paramètres d’optimisation
8.1 Principe de l’étude
8.2 Propriétés matériaux
8.3 Paramètres architecturaux
8.3.1 Distance inter-fils
8.3.2 Embuvage
8.3.3 Rayon du fil
8.3.4 Taux volumique de fil
8.3.5 Combinaisons de paramètres
8.4 Synthèse
Chapitre 9 Optimisation : Applications sur architectures
9.1 Objectifs
9.2 Maillages
9.2.1 L’interlock 2,5D
9.2.2 La famille ‘Straight Warp’
9.2.3 Comparaison des architectures
9.2.4 Interzones des architectures
9.3 Lois de comportement
9.4 Conditions aux limites
9.4.1 Traction
9.4.2 Flexion et traction
9.5 Applications sur l’interlock 2,5D
9.6 Comparaison avec les autres architectures
9.6.1 Traction
9.6.2 Flexion et traction
9.7 Cohésion suivant l’épaisseur des architectures
9.8 Synthèse
Partie IV ORIGINALITÉS NUMÉRIQUES SUR LES COMPOSITES TISSÉS
Chapitre 10 Approche probabiliste de la rupture des fils
10.1 Traitement probabiliste de la rupture
10.1.1 Objectif
10.1.2 Implémentation et statistique de Weibull
10.2 Application sur une cellule élémentaire
10.2.1 Objectif et principe de l’étude
10.2.2 Résultats
10.3 Application sur l’interlock 2.5D
10.3.1 Objectif et principe
10.3.2 Résultats
10.4 Synthèse
Chapitre 11 Prise en compte de la cavitation de la matrice
11.1 Objectif de l’étude
11.2 La cavitation
11.2.1 Description
11.2.2 Choix du modèle
11.2.3 Le modèle Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN)
11.3 Applications
11.3.1 Identification des coefficients d’un modèle GTN simplifié
11.3.2 Cellule élémentaire
11.3.3 Interlock 2,5D
11.4 Synthèse
Chapitre 12 La réduction de modèles : applications sur les composites tissés
12.1 Objectif et démarche
12.2 La réduction de modèles
12.2.1 Introduction
12.2.2 Utilisation de la méthode d’Hyper-Réduction (HR)
12.3 Applications
12.3.1 Identification inverse
12.3.2 Fatigue
12.4 Synthèse
Conclusions générales
Contexte, objectifs et démarche adoptée
Résultats
Perspectives
Bibliographie
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