Simulation à l'échelle mésoscopique de la mise en forme de renforts de composites tissés

De nos jours, l intégration de pièces composites dans les produits intéresse de plus en plus les industriels, particulièrement dans le domaine des transports. En effet, ces matériaux présentent de nombreux avantages, notamment celui de permettre une diminution de la masse des pièces lorsqu ils sont correctement exploités. Pour concevoir ces pièces, plusieurs procédés peuvent être utilisés, parmi lesquels le RTM (Resin Transfer Molding) qui consiste en la mise en forme d un renfort sec (préformage) avant une étape d injection de résine. Cette étude concerne la première étape du procédé RTM, celle de préformage. L objectif est de mettre en œuvre une stratégie efficace conduisant à la simulation par éléments finis de la mise en forme des renforts à l échelle mésoscopique. A cette échelle, le renfort fibreux est modélisé par un enchevêtrement de mèches supposées homogènes. Plusieurs étapes sont alors nécessaires et donc étudiées ici pour atteindre cet objectif. La première consiste à créer un modèle géométrique 3D le plus réaliste possible des cellules élémentaires des renforts considérés. Elle est réalisée grâce à la mise en œuvre d une stratégie itérative basée sur deux propriétés. D une part, la cohérence, qui permet d assurer une bonne description du contact entre les mèches, c'est-à-dire, que le modèle ne contient ni vides ni interpénétrations au niveau de la zone de contact. D autre part, la variation de la forme des sections de la mèche le long de sa trajectoire qui permet de coller au mieux à la géométrie évolutive des mèches dans le renfort. Grâce à ce modèle et à une définition libre par l utilisateur de l architecture tissée, un modèle représentatif de tout type de renfort (2D, interlock) peut être obtenu. La seconde étape consiste à créer un maillage hexaédrique 3D cohérant de ces cellules élémentaires. Basé sur la géométrie obtenue à la première étape. L outil de maillage créé permet de mailler automatiquement tout type de mèche, quelle que soit sa trajectoire et la forme de ses sections. La troisième étape à franchir consiste, à partir du comportement mécanique du matériau constitutif des fibres et de la structure de la mèche, à mettre en place une loi de comportement du matériau homogène équivalent à un matériau fibreux. Basé sur les récents développements expérimentaux et numériques en matière de loi de comportement de structures fibreuses, un nouveau modèle de comportement est présenté et implémenté. Enfin, une étude des différents paramètres intervenant dans les calculs en dynamique explicite est réalisée. Ces deux derniers points permettent à la fois de faire converger rapidement les calculs et de se rapprocher de la réalité de la déformation des renforts. L ensemble de la chaîne de modélisation/simulation des renforts fibreux à l échelle mésoscopique ainsi créée est validée par comparaison d essais numériques et expérimentaux de renforts sous sollicitations simples.Nowadays, manufacturers, especially in transport, are increasingly interested in integrating composite parts into their products. These materials have, indeed, many benefits, among which allowing parts mass reduction when properly operated. In order to manufacture these parts, several methods can be used, including the RTM (Resin Transfer Molding) process which consists in forming a dry reinforcement (preform) before a resin being injected. This study deals with the first stage of the RTM process, which is the preforming step. It aims to implement an efficient strategy leading to the finite element simulation of fibrous reinforcements at mesoscopic scale. At this scale, the fibrous reinforcement is modeled by an interlacement of yarns assumed to be homogeneous and continuous. Several steps are then necessary and therefore considered here to achieve this goal. The first consists in creating a 3D geometrical model of unit cells as realistic as possible. It is achieved through the implementation of an iterative strategy based on two main properties. On the one hand, consistency, which ensures a good description of the contact between the yarns, that is to say, the model does not contain spurious spaces or interpenetrations at the contact area. On the other hand, the variation of the yarn section shape along its trajectory that enables to stick as much as possible to the evolutive shape of the yarn inside the reinforcement. Using this tool and a woven architecture freely implementable by the user, a model representative of any type of reinforcement (2D, interlock) can be obtained. The second step consists in creating a 3D consistent hexahedral mesh of these unit cells. Based on the geometrical model obtained in the first step, the meshing tool enables to mesh any type of yarn, whatever its trajectory or section shape. The third step consists in establishing a constitutive equation of the homogeneous material equivalent to a fibrous material from the mechanical behavior of the constituent material of fibers and the structure of the yarn. Based on recent experimental and numerical developments in the mechanical behavior of fibrous structures, a new constitutive law is presented and implemented. Finally, a study of the different parameters involved in the dynamic/explicit scheme is performed. These last two points allow both to a quick convergence of the calculations and approach the reality of the deformation of reinforcements. The entire chain modeling/simulation of fibrous reinforcements at mesoscopic scale created is validated by numerical and experimental comparison tests of reinforcements under simple loadings.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Modélisation à l'échelle mésoscopique de la géométrie de renforts de composites tissés

Les simulations numériques à l'échelle de la pièce sont un puissant outil pour prédire la faisabilité de ces pièces. Pour alimenter ces simulations, il est nécessaire de disposer d'un modèle géométrique 3D le plus précis possible de la cellule élémentaire du renfort. Le but de cette étude est donc de développer un préprocesseur cohérent automatisé de modélisation de géométries complexes telles que celles des renforts de type interlock

Sur des approches logicielles avancées pour le traitement de multiphysiques couplées en mécanique

Les couplages multiphysiques, en particulier dans les matériaux poreux, couvrent de nos jours de plus en plus de domaines d'application. Ces problématiques font en général intervenir de nombreux champs couvrant plusieurs physiques à des échelles de temps et d'espace très différentes. Un des enjeux cruciaux des aspects liés à la modélisation est de facilement et rapidement intégrer les nouveaux modèles dans des logiciels de simulation, afin d'une part de valider les approches, et d'autre part, de proposer en un temps raisonnable des solutions logicielles prédictives adaptées au milieu industriel. Le but de cette communication est de mettre en perspective deux approches de développement logiciel dans le cadre de la modélisation de systèmes multiphysiques complexes, l'une classique et l'autre avancée en orientée objet

Hypoelastic, hyperelastic, discrete and semi-discrete approaches for textile composite reinforcement forming

International audienceThe clear multi-scale structure of composite textile reinforcements leads to develop continuous and discrete approaches for their forming simulations. In this paper two continuous modelling respectively based on a hypoelastic and hyperelastic constitutive model are presented. A discrete approach is also considered in which each yarn is modelled by shell finite elements and where the contact with friction and possible sliding between the yarns are taken into account. Finally the semi-discrete approach is presented in which the shell finite element interpolation involves continuity of the displacement field but where the internal virtual work is obtained as the sum of tension, in-plane shear and bending ones of all the woven unit cells within the element. The advantages and drawbacks of the different approaches are discussed

Friction measurement on dry fabric for forming simulation of composite reinforcement

Forming processes are highly influenced by all the interface conditions between the tooling and the workpieces. For thermo-mechanical processes like hot forging or cutting friction is widely studied for a long time but for composite parts, it is not the case because the problem is not so crucial: forming forces are generally weak enough to allow the part be realized with any forming device. Nevertheless, friction seems to have an important role when precise simulations are expected. Up to now, few studies have been focused on friction during composite forming processes. The aim of the present study is to make a contribution on that topic for an experimental point of view using a high precision device able to measure small friction forces

Large deformation analysis of fibrous materials using rate constitutive equations

International audienc

Approche hyperélastique pour la simulation de renforts tissés de composites. Etude en grandes transformations à l'échelle mésoscopique

National audienc

Simulation de grandes déformations de renforts de composites à l'aide de lois de comportement hypoélastiques

International audienceLes lois hypoélastiques (ou lois en taux) sont des modélisations continues fréquemment utilisées pour les grandes transformations. Dans le cas des milieux fibreux, la plupart des approches utilisent les dérivées objectives classiques de Green Naghdi ou Jaumann et le repère tourné associé. La matrice de comportement dans ce repère est obtenue à partir de celle dans le repère des fibres. Une alternative consiste à définir et utiliser une dérivée objective et un repère tourné à partir de la rotation de la fibre. L'objectif de ce travail est de montrer que seule la seconde approche conduit à des résultats satisfaisants dans certains cas. Des exemples d'application à la déformation de mailles élémentaires en tension biaxiale et en cisaillement seront présentés

Différentes approches pour la simulation de la mise en forme des renforts fibreux de composites. Les intérêts de l’approche mésoscopique

Ce papier présente une modélisation à l'échelle mésoscopique de la simulation de la mise en forme des renforts fibreux. Le comportement mécanique de chaque constituant est alors plus simple que dans les modèles continus et des aspects difficiles dans ces derniers, tels que l’actualisation de la direction des mèches, sont intégrés naturellement. La contrepartie réside dans le très grand nombre de composants avec des contacts complexes entre eux. Les intérêts de cette approche seront détaillés

Approche mésoscopique pour la mise en forme des renforts tissés de composites

La simulation de la mise en forme des renforts tissés permet d'étudier les conditions de faisabilité d'une telle opération en limitant les essais expérimentaux et donc les coûts de développement. La simulation permet d'accéder à des informations telles que la position des fibres après formage et leur état de déformation ainsi que de prédire l'apparition de défauts (plissements, détissages, rupture de fibres/mèches). La définition du comportement mécanique des tissus, nécessaire à ces simulations, peut se faire à différentes échelles. Seuls les modèles définis à l'échelle macroscopique permettent à l'heure actuelle d'effectuer ce type de simulations. Les modèles aux échelles inférieures permettent alors de définir le comportement macroscopique d'un renfort à partir de l'assemblage de ses constituants élémentaires. Le passage méso/macro (ou micro/macro) s'accompagne dans ce cas d'une perte d'information liée au passage d'une description discrète à une description continue. Le modèle que nous proposons consiste en une description à l'échelle mésoscopique des renforts permettant la simulation de pièces à l'échelle macroscopique. Cela est rendu possible par une simplification de la description mésoscopique grâce l'utilisation d'éléments de coques. Un modèle de comportement hypoélastique spécifique à la mèche est alors considéré. En particulier, la direction des fibres est strictement suivie et un comportement élastique non linéaire permettant de prendre en compte la compaction transverse est défini. L'identification et la validation du modèle sont effectuées grâce aux essais usuels de caractérisation des renforts. Outre le fait de décrire correctement le comportement en cisaillement des tissus, le modèle permet de prédire les plissements et les détissages de mèches. Des simulations de mise en forme illustrent ces capacitésWoven reinforcements forming simulation allows studying feasibility conditions of such processes limiting experimental tests and therefore development costs. Simulation allows accessing to information such as fibre positions after forming and their deformation state as well as predicting the onset of defects (wrinkles, yarns sliding, fibre/yarn fracture). The definition of the fabric mechanical behaviour necessary for these simulations can be done at different scales. Today only the macroscopic scale allows simulations of forming processes. Models at lower scales then allow to define the macroscopic behaviour of reinforcement from the assembly of their elementary components. The meso/macro (or micro/macro) transition is accompanied by an information loss due to the transition from a discrete description to a continuous one. The proposed model consist in a mesoscopic description of the reinforcement allowing the simulation of forming processes at the macroscopic scale. This is possible thanks to a simplification of the description by using shell elements. A hypoelastic behaviour specific of the yarn is then considered. In particular, fibre direction is strictly tracked and a non linear elastic behaviour is defined, allowing the consideration of the transverse compaction of the yarn. Identification and validation of the model are done using classical characterisation tests. In addition to a good description of the shearing behaviour of fabrics, the model allows the prediction of wrinkles and yarns sliding. Forming simulations illustrate these capabilitiesVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF