Caractérisation et modélisation du comportement en traction d une mèche comêllée de renfort 3D

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1 Caractérisation et modélisation du comportement en traction d une mèche comêllée de renfort 3D Jean-Emile ROCHER, Samir ALLAOUI, Eric BLOND, Gilles HIVET, Laboratoire PRISME / Polytech Orléans

2 Contexte Fabrication des pièces automobiles Cadence/coût élevé, formes complexes, exigence croissante en performances mécaniques Projet européen 3D Ligth Trans Créer une chaîne de fabrication de la fibre à la pièce finale avec les outils de développement et d optimisation Prix de l innovation JEC 2015-renforts

3 Principe

4 Renfort 3D comêlé Renfort 3D comêlé comêlage par air A partir de deux mèches de roving standard Les fibres peuvent être endommagées par le comêlage. Le comêlage par air nécessite d utiliser une suralimentation (pour pouvoir séparer les filaments et «ouvrir» les mèches La suralimentation de la mèche de renfort est souvent de l ordre de 1 à 2% Suralimentation supérieure pour la mèche de TP Quel renfort avec quelle performance à l arrivée Processabilité Comportement mécanique du renfort sec Comportement mécanique du composite

5 Modélisation des Renforts 3D comêlés Chaîne de simulation à l échelle mésoscopique Prévoir le comportement mécanique Prévoir la formabilité Optimiser les architectures Fournir une architecture déformée après mise en forme Compromis intéressant mais difficultés nombreuses Le comportement spécifique des mèches de fibres doit être intégré dans une approche continue Non linéarités-grandes déformations, Suivi des directions matérielles 5 Loi de comportement homogénéisée traduisant la nature fibreuse des mèches Contacts nombreux avec grands glissements Modèle géométrique maillé de la cellule élémentaire

6 Modélisation des Renforts 3D comêlés Renfort 3D comêlé : Problématique de modélisation de la cellule élémentaire 56 mèches VER complet??? Fortes ondulations Zones de forte densité Modification profonde de la section Sections de formes erratiques Variabilité énorme VER???? Quels paramètres???, Mesures??? Automatisation bien plus complexe modélisation bien plus longue

7 3D comêllé : Modélisation des Renforts 3D comêlés Problématique de modélisation de la cellule élémentaire Loi de comportement du matériau homogène équivalent Des approches sur les rovings existent Spécificités des mèches comêlées??? De fortes variations de diamètre le long des mèches (du simple au quintuple) sections ouvertes et de sections compactes nœuds Nœuds : complexe et instable fibres enchevêtrées Différents types de nœuds en fonction des paramètres procédé des rovings (matière, densité, )

8 Modélisation des Renforts 3D comêlés 3D comêllé : Spécificité forte De composition De structure De géométrie De procédé d obtention Les modèles de comportement sont à reconsidérer Comportement en traction Comportement en compression Flexion, cisaillement.

9 Comportement en traction : Démarche expérimentale Contrainte : Deux définitions de contrainte de Cauchy cohabitent Une contrainte dite matérielle rapportée à la section totale de matière Une contrainte dite équivalente c est-à-dire en référence à la surface du modèle méso (largeur et épaisseur de la mèche) Elles sont liées par la fraction surfacique (volumique) de fibre On utilisera dans un premier temps la première Déformations inférieures à 3% HPP en traction 9

10 Comportement en traction : Démarche expérimentale 10 Forte non-linéarité initiale Zone linéaire Puis rupture échelonnée en plusieurs étapes Verre PP Variabilité forte

11 Non linéarité initiale Non linéarité initiale : Suralimentation fibres non tendues initialement suralimentation utilisée pour le verre (2 %) < celle du PP (5 %). Module verre (73 GPa) >> celui du PP (< 2 GPa). le verre pilote jusqu à la rupture Fibres Ondulées Enchevêtrées notamment dans les zones de nœud Réorganisation, mise en tension progressive Non linéarité forte 11 Déformations permanente?? Rigidification après le premier cycle? Non linéarité plus faible?

12 Non linéarité initiale 12 Déformations permanente, forte au premier cycle Rigidification après le premier cycle Non linéarité plus faible après le premier cycle Réorganisation du réseau fibreux

13 Non linéarité initiale Phénomène lié à la suralimentation et à la réorganisation, notamment dans les zones de nœud Mise en tension progressive des fibres [CHU06] un modèle décrivant l effet de la mise en tension différée de filaments en traction d un roving La fibre de contribue à l énergie de déformation que si la déformation est supérieure à la suralimentation Fibe supposée linéaire élastique : 13 Avec la densité cumulée d activation R. Chudoba, M. Vorechovsky, M. Konrad. Stochastic modeling of multi-filament yarns. I. Random properties within the cross-section and size effect. International journal of solids and structures 43 (2006)

14 Non linéarité initiale Identifier? Sur la structure des fibres long et complexe Identification inverse Essais à faible précharge et avec différentes précharges Dérivée normée de le courbe contrainte/déformation Tracé de la densité cumulée d activation Forme de la loi?? Weibull 1 14 calcul de l intégrale impossible analytiquement complexité temps de calcul forme linéaire???

15 Forme linéaire 1, 1, 1 ln ln 1 Non linéarité initiale 15 bonne approximation du comportement réel. 1 seul paramètre à identifier

16 Non linéarité initiale Bilan Nécessité de prendre en compte la phase non linéaire car très prononcée Modèle de type activation avec identification d un seul paramètre à l air de fonctionner de façon acceptable Aller vers une identification priori et pas inverse. 16

17 Module d élasticité Courbe expérimentale de la mèche comêllée Module de 30GPa (27 à 32) Loi des mélanges 38 GPa Le module est inférieur à celui auquel on pourrait prétendre Les fibres ne sont pas droites et parallèles même après la réorganisation initiale La réorganisation est moindre Des fibres sont ondulées et twistées Notamment dans les zones de nœud mais sans doute pas uniquement Utilisation d un modèle de twist avec des paramètres adaptés? [RAO99] Y. Rao, R.J. Farris. A modeling and experimental study of the influence of twist on the mechanical properties of high-performance fiber yarns. Journal of applied polymer science, Vol. 77, (2000). [TOR11] Torun A R (2011) Advanced manufacturing technology for 3D profiles woven performs. PhD Dissertation. Techniche Universitat Dresden.

18 Module d élasticité Utilisation d un modèle de twist avec des paramètres adaptés? degré d entrelacement de la mèche. suralimentation en verre 1 Dans les zones de nœud l entremêlement des fibres facteur, un angle de twist de la fibre sur l extérieur. [MADS07] , angle de twist moyen

19 Module d élasticité difficulté principale identification paramètres du modèle? 0.1 (valeur utilisée dans [TOR11]) 1.5 %. La suralimentation de verre consommée aux ¾ dans les zones de noeud. Un angle de twist moyen de 30 est obtenu Un angle de surface 42. Peu de résultats sont disponibles sur mèches twistées avec des angles aussi importants extrapolation des résultats d essais moyens présentés dans [RAO99] 0.3 ~31 GPa Résultats intéressants mais très préliminaires. Semble avoir le potentiel de modéliser les phénomènes

20 Non linéarité VS module Remarque : Les deux phénomènes sont liés à la suralimentation et au désalignement des fibres le module devrait décroitre lorsque la non-linéarité croit

21 Comportement transverse Comportement transverse Diminution de section avec la déformation longi Notamment dans les zones ouvertes mais aussi dans les zones de nœud Identification expérimentale A creuser

22 Vitesse de chargement Effet de la vitesse de chargement Peu important pour le module d élasticité Très important pour la contrainte à la rupture Process : Pour des renforts fibres synthétiques on atteint rarement la limite Dans les renforts comêlés et naturels, l exploitation de la vitesse peut être une piste à creuser Prendre en compte pour la rupture GF 200 mm GF 500 mm GFPP 200 mm GFPP 500 mm Effort à rupture N log(vitesse de déformation) 70

23 Vitesse de chargement Effet de la vitesse de chargement Peu important pour le module d élasticité Très important pour la contrainte à la rupture Process : Pour des renforts fibres synthétiques on atteint rarement la limite Dans les renforts comêlés et naturels, l exploitation de la vitesse peut être une piste à creuser Prendre en compte pour la rupture

24 Effet du procédé de tissage Procédé de tissage affecte significativement les propriétés mécaniques de la mèche Nécessité de les prendre en compte Estimation? Etude pus fine? Améliorer les protocoles

25 Effet du procédé de tissage Procédé de tissage affecte significativement les propriétés mécaniques de la mèche Nécessité de les prendre en compte Estimation? Etude pus fine? Améliorer les protocoles Déformation à rupture [%] Force à rupture [N] Contrainte à rupture [MPa] Module [GPa] [%] Binders 1,24, (-16 %) 66,9, (-15 %) 290 (-15 %) 29,4, (+ 1 %) 0,62 (-17 %) Chaine 1,21, (-17 %) 61,4, (-22 %) 266 (-22 %) 28,2, (- 3 %) 0,58 (-22 %) Trame 1,31, (-11 %) 56,3, (-28 %) 244 (-28 %) 24,2, (- 17 %) 0,59 (-20 %)

26 Implémentation dans loi hypo-élastique VUMAT Abaqus Implémentation Dans le tissu l aire de la section des mèches est quasi constante et proche de celle des zones de noeud. 50 Effort N Théorique Numérique Déformation

27 Simulation de traction sur renfort Exploitation des travaux sur les rovings adaptés pour tous les autres comportement Compression Flexion, cisaillement Effort/mèche [N] Sens trame Comportement des mèches comélées Résultat simulation de traction sur tissu Comportement réel tissu Effort/mèche [N] Sens chaine Comportement des mèches comélées Résultat simulation de traction sur tissu Comportement réel du tissu Déformation Déformation

28 Conclusion Les difficultés liées à la compréhension, la modélisation la simulation des renforts 3D sont nombreuses A fortiori pour les renforts à mèches comêlées Des modèles de comportement spécifiques doivent être adaptés Quelques réponses semblent exister mais encore beaucoup basées sur de l indentification et à confirmer Aller vers une meilleure compréhension et modélisation des phénomènes

29 MERCI DE VOTRE ATTENTION