Modélisation prédictive de la cinétique de cuisson des époxys avec prise en compte de la diffusion et de la dépendance en température : application à la résine LY 556

International audienceCe travail traite des possibilités de prédiction du degré d'avancement de la réaction chimique de thermodurcissement lors de la cuisson des époxys. Pour cela le modèle phénoménologique de Kamal et Sourour modifié par Fournier et al. avec la prise en compte d'un facteur correctif relatif à la diffusion des espèces est étudié au niveau de ses capacités prédictives pour le domaine de température autre que celui utilisé pour l'identification des paramètres. Si les paramètres du modèle de Kamal et Sourour sont clairement évolutifs en fonction de la température selon une loi d'Arrhenius, il n'existe pas de proposition concernant les paramètres du facteur de diffusion. Plutôt qu'une simple formulation linéaire pour la dépendance à la température de ceux-ci, des lois d'évolution non linéaires sont proposées et en particulier une expression Arrhenius pour le paramètre de diffusion. Ces analyses ont été effectuées à propos de la cinétique chimique de l'époxy DGEBA LY556 avec un durcisseur anhydride au moyen d'essais de type DSC en cuisson isotherme et dynamique. Les prédictions de cinétique chimique en dehors du domaine d'identification sont très satisfaisantes pour les cuissons isothermes et assez bonnes pour les cuissons dynamiques, lesquelles démontrent toutefois quelque peu les limitations de la modélisation

Simulation par éléments finis de la cuisson d'une matrice époxy en vue de la prédiction des contraintes internes dans les composites

La cuisson d'un composite thermodurcissable est un processus complexe dont il est délicat de prédire les propriétés obtenues à l'usage des concepteurs de structures composites. Cela est crucial pour les composites épais puisque le couplage thermochimique devient significatif pour les matrices thermodurcissables dont la réaction chimique de durcissement est exothermique. L'objectif de ce travail est de présenter un outil numérique couplant la thermique, la chimie et ses conséquences sur la formation de la matrice. Dans une première étape, les lois constitutives du problème de couplage à résoudre pour la description de la matrice en formation sont présentées. La prise en compte de ces lois dans le code de calcul par éléments finis Abaqus est exposée dans une deuxième étape. Les résultats obtenus ont été confrontés avec succès aux mesures expérimentales pour deux systèmes thermodurcissables différents. Ce travail ouvre la voie vers la prédiction des contraintes résiduelles en fin de cuisson

Caractérisations expérimentales et numériques de la dégradation par choc des réservoirs d'hydrogène à haute pression

Cette étude vise à développer des connaissances sur le comportement d’un réservoir à hydrogène en composite bobiné (fibre de carbone et résine epoxy) à haute pression soumis à des chocs en service, c'est-à-dire à étudier les endommagements générés ainsi que leur évolution et leurs conséquences en service. On a développé une approche de l’évolution des dommages induits par impact de type endommagement/propagation/rupture. Un modèle d’endommagement simule la dégradation progressive du matériau composite constituant le réservoir d’hydrogène. Le principe du modèle est de prédire l’endommagement dans chaque empilement unidirectionnel et de prendre en compte son effet sur la rupture macroscopique de la structure. Pour décrire la rupture progressive, une approche de type « analyse progressive de la rupture » a été utilisée. La validation du modèle d’endommagement se base sur les résultats d’essais sur des éprouvettes impactées. Deux méthodes différentes de tir laser et de « canon à air » sont comparées pour générer des endommagements représentatifs des chocs subis par les réservoirs. Une fois la technique d’endommagement sélectionnée, un ensemble d’essais de traction monotone et de charge – décharge répétée sur éprouvettes prélevées dans des cylindres bobinés a été réalisé afin de déterminer la tenue résiduelle de structures endommagées. Une fois validé sur éprouvette, le modèle est appliqué au comportement de réservoirs complets, avec différentes structures de composites. On estime la tenue résiduelle du réservoir par le calcul de la pression d’éclatement d’une part dans une configuration « saine » (pas d’impact) et d’autre part dans une configuration « impactée ». Des observations par micrographie de réservoirs impactés permettent d’identifier le type d’endommagement induit par choc. Cette morphologie de défauts est directement introduite dans le maillage éléments finis du réservoir. On note que la présence du défaut provoque une diminution de la pression d’éclatement d’environ 25%

Utilisation d'une base temporelle a priori issue d'une analyse TFR pour accélérer la prédiction du comportement d'un polymère sous chargement cyclique.

La mise en place d'un critère de fatigue pour les matériaux polymères présentant un comportement visqueux nécessite de simuler un nombre important de cycles afin de prédire le cycle stabilisé. De plus pour prédire correctement ce cycle stabilisé, il est nécessaire de prendre en compte le comportement thermo-viscoélastique de ces matériaux. Ce sujet a déjà été étudié dans le cadre de la méthode des éléments finis par Song Thanh Thao Nguyen et al. en 2013. L'utilisation de la méthode des éléments finis combinée à l'utilisation d'un schéma incrémental en temps a mené à des temps de calculs prohibitifs liés à l'utilisant d'un petit pas de temps et la simulation d'un grand nombre de cycliques. Le choix du pas de temps petit est lié à la présence de temps caractéristiques agissant à des échelles différentes : le temps lié au chargement cyclique, le temps caractéristique de la viscosité et celui de la thermique. De plus, pour certaines valeurs des paramètres, une non convergence des simulations éléments finis a été notée. Afin de pallier ce problème, nous proposons ici de combiner l'utilisation de la Transformée de Fourier Rapide et de la méthode PGD, méthode proposée par Ammar et Chinesta en 2006, pour déterminer a priori une base temporelle réduite. Dans ce papier, l'approche est mise en place dans un cas plus simple que le cas multiphysique visé et se restreint à étudier un problème thermique 3D sous chargement cyclique. Néanmoins, cette étude mène à considérer deux temps caractéristiques : un lié au problème thermique appelé temps physique et un lié au cycle appelé le temps du cycle. La procédure utilisée dans cette étude est la suivante : - La méthode PGD est utilisée pour déterminer la solution du problème 3D. - La solution temporelle obtenue est ensuite traitée avec la Transformée de Fourier Rapide. Les différents modes fréquentiels obtenus sont étudiés pour différents valeurs de paramètres définissant la simulation soit le temps caractéristique, le temps du cycle et l'amplitude du chargement. ? Ces modes sont ensuite utilisés pour déterminer la solution du problème thermique 3D via un algorithme PGD. L'efficacité de cette méthode est étudiée pour différents valeurs des paramètres. Le gain en temps de calcul est ensuite évalué par comparaison à celui obtenu avec la méthode des éléments finis. Selon les conclusions obtenues, cette approche sera étendue à l'étude de la prédiction sous chargement cycliques de matériaux présentant un comportement thermoviscoélastique

Caractérisation et simulation numérique du comportement de matériaux élastomériques lors de décompressions rapides

Les élastomères sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles fonctionnant sous hautes pressions de gaz et sur une gamme importante de températures. Le travail consiste à prédire le comportement d'élastomères soumis à une saturation en gaz (H2 ou CO2 jusqu'à 40MPa et 150°C) puis à la suppression de cette pression. Lorsque les transitoires sont suffisamment violents, un endommagement apparaît, par nucléation et croissance de cavités. Le couplage diffusion-endommagement-viscohyperélasticité est étudié avec des simulations numériques et des essais mécaniques sous pression de gaz

Accommodation cyclique du polyéthylène : expériences et modélisation thermo-viscoélastique non-linéaire fortement couplée

L'objectif est de prédire l'accommodation cyclique d'un polymère semi-cristallin en intégrant le couplage fort entre la mécanique et la thermique. Il s'agit de capter les deux échelles de temps liées à l'évolution de la déformation moyenne qui accompagne le cyclage et à la boucle stabilisée elle-même, avec des contributions énergétiques pertinentes, utilisables le cas échéant dans un critère de fatigue. Un premier travail avait été mené dans un cadre isotherme. L'étude expérimentale et théorique est ici étendue au cadre thermo-mécanique. Des essais de traction et cisaillement, réalisés par le LMGC de Montpellier, permettent d'accéder aux sources de chaleur. Ils sont confrontés à un modèle thermo-viscoélastique non-linéaire dans lequel le couplage est introduit via la thermo-élasticité (par la déformation volumique) et via la dissipation visqueuse (sur la base du principe d'équivalence temps-température). L'article présente les résultats en cisaillement

Thermo-oxidation behaviour of composite materials at high temperatures: A review of research activities carried out within the COMEDI program

The present paper presents a review of the main activities carried out within the context of the COMEDI research program, a joint collaboration involving three research teams focusing on the thermo-oxidation behaviour of composite materials at high temperatures. The scientific aim of the COMEDI research program was to better identify the link between the physical mechanisms involved in thermo-oxidation phenomena: oxygen reaction-diffusion, chemical shrinkage strain/stress, degradation at different scales and to provide tools for predicting the thermo-oxidation behaviour of composite materials under thermo-oxidative environments including damage onset. This aim was accomplished by investigating experimentally the thermo-oxidation behaviour of pure resin samples - both industrial and "model" materials - and by interpreting the results by a coupled reaction-diffusion-mechanics multiphysics model. A dedicated numerical model tool has been developed and implemented into the ABAQUS® finite element commercial software. This tool was employed to simulate the thermo-oxidative behaviour of a fibre-matrix microscopic representative composite cell. Finally, the model predictions for the composite have been validated by comparing the experimental and the simulated local matrix shrinkage displacements and the mass loss of composite specimens

Thermo-oxidation behaviour of organic matrix composite materials at high temperatures

The present paper is a review of the main activities carried out within the context of the COMPTINN‟ program, a joint research project founded by a FUI program (Fonds Unifiés Interministériels) in which four research teams focused on the thermo-oxidation behaviour of HTS-TACTIX carbon-epoxy composite at „high‟ temperatures (120°C-180°C). The scientific aim of the COMPTINN‟ program was to better identify, with a multi-scale approach, the link between the physico-chemical mechanisms involved in thermo-oxidation phenomena, and to provide theoretical and numerical tools for predicting the mechanical behaviour of aged composite materials including damage onset and development