Numerical and experimental analyses of resin infusion manufacturing processes of composite materials

Liquid resin infusion (LRI) processes are promising manufacturing routes to produce large, thick, or complex structural parts. They are based on the resin flow induced, across its thickness, by a pressure applied onto a preform/resin stacking. However, both thickness and fiber volume fraction of the final piece are not well controlled since they result from complex mechanisms which drive the transient mechanical equilibrium leading to the final geometrical configuration. In order to optimize both design and manufacturing parameters, but also to monitor the LRI process, an isothermal numerical model has been developed which describes the mechanical interaction between the deformations of the porous medium and the resin flow during infusion.1, 2 With this numerical model, it is possible to investigate the LRI process of classical industrial part shapes. To validate the numerical model, first in 2D, and to improve the knowledge of the LRI process, this study details a comparison between numerical simulations and an experimental study of a plate infusion test carried out by LRI process under industrial conditions. From the numerical prediction, the filling time, the resin mass and the thickness of the preform can be determined. On another hand, the resin flow and the preform response can be monitored by experimental methods during the filling stage. One key issue of this research study is to highlight the changes in major process parameters during the resin infusion stage, such as the temperature of the preform and resin, and the variations of both thickness and fiber volume fraction of the preform. Moreover, this numerical/experimental approach is the best way to improve our knowledge on the resin infusion processes, and finally, to develop simulation tools for the design of advanced composite parts

Modélisation du délaminage par la méthode de la zone cohésive et problèmes d'instabilité = Modelling of delamination by the cohesive zone method and problems of instability

National audienceCe travail concerne la modélisation par éléments finis du phénomène du délaminage dans les matériaux composites stratifiés. La faiblesse des zones riches en résine entre les plis peut entraîner leur décollement. Nous avons choisis la modélisation de ce phénomène par l'utilisation de la méthode de la zone cohésive qui est basée sur la mécanique de la rupture par fissuration et la mécanique de l'endommagement. Les avantages majeurs de ce modèle est de tenir compte du couplage existant entre les différents modes de rupture en mécanique linéaire de fissuration ajoutant la capacité à prédire l'initiation du délaminage. Au travers d'une formulation thermodynamique, nous avons proposé quelques variantes. L'introduction de la variable d'endommagement, dépendante du saut de déplacement local, ajoute une dimension physique au modèle. L'implémentation numérique du modèle cohésif a été réalisée. Des problèmes ont été soulevés lors de l'utilisation des éléments cohésifs qui sont principalement liés à la convergence du modèle. On s'est donc intéressé ensuite à l'étude de l'instabilité du modèle cohésif. L'étude a été menée en quasi-statique dans un code éléments finis implicite. La résolution numérique du système non-linéaire a été effectuée par la méthode de Newton-Raphson qui s'est révélée incapable de venir à bout de l'instabilité matérielle induite par le comportement adoucissant du modèle cohésif. On montre avec un essai de traction simple composé de deux barres reliées par un élément cohésif, que la solution du problème discrétisé par élément finis peut diverger (solution jumps). Cette étude a permis de déterminer et de traiter l'instabilité du système en introduisant une viscosité régulatrice dans le modèle. Cette énergie supplémentaire ajoutée au modèle peut régler complètement le problème d'instabilité pour un incrément de temps adéquat et des méthodes de résolutions numériques de type Newton-Raphson. Des simulations numériques de l'essai sur éprouvettes DCB sont présentées et comparées aux essais pour illustrer les performances du modèle

Influence of the stitching density on the transverse permeability of Non-Crimped New Concept (NC2) multiaxial reinforcements : measurements and predictions

International audienceNew manufacturing processes arise for polymer-based composites which involve resin infusion through dry pre-forms. Modelling approaches of these processes require to assess new physical characteristics of the materials. In this paper, the transverse permeability of new multiaxial stitched materials, referred to as NC2, is investigated. First, in the framework of Darcy's flows, this permeability is assessed for various biaxial NC2 using a specific device. Through this approach it is shown that the transverse permeability depends strongly on the stitching density. Then, the results from a simplified FE study carried out at the blanket scale are shown to correlate quite well the experimental measurements and evidences established in the first part

Bayesian Identification of Elastic Constants in Multi-Directional Laminate from Moir\'e Interferometry Displacement Fields

The ply elastic constants needed for classical lamination theory analysis of multi-directional laminates may differ from those obtained from unidirectional laminates because of three dimensional effects. In addition, the unidirectional laminates may not be available for testing. In such cases, full-field displacement measurements offer the potential of identifying several material properties simultaneously. For that, it is desirable to create complex displacement fields that are strongly influenced by all the elastic constants. In this work, we explore the potential of using a laminated plate with an open-hole under traction loading to achieve that and identify all four ply elastic constants (E 1, E 2, 12, G 12) at once. However, the accuracy of the identified properties may not be as good as properties measured from individual tests due to the complexity of the experiment, the relative insensitivity of the measured quantities to some of the properties and the various possible sources of uncertainty. It is thus important to quantify the uncertainty (or confidence) with which these properties are identified. Here, Bayesian identification is used for this purpose, because it can readily model all the uncertainties in the analysis and measurements, and because it provides the full coupled probability distribution of the identified material properties. In addition, it offers the potential to combine properties identified based on substantially different experiments. The full-field measurement is obtained by moir\'e interferometry. For computational efficiency the Bayesian approach was applied to a proper orthogonal decomposition (POD) of the displacement fields. The analysis showed that the four orthotropic elastic constants are determined with quite different confidence levels as well as with significant correlation. Comparison with manufacturing specifications showed substantial difference in one constant, and this conclusion agreed with earlier measurement of that constant by a traditional four-point bending test. It is possible that the POD approach did not take full advantage of the copious data provided by the full field measurements, and for that reason that data is provided for others to use (as on line material attached to the article)

Numerical study of scratch velocity effect on recovery of viscoelastic-viscoplastic solids

International audienceThe scratch test is a classical way to investigate the abrasive resistance of coatings and substrates. Because of the complex phenomena involved, the use of refined finite element analysis is often required to analyze the influence of specific parameters. In this paper, the influence of the tip velocity on the scratch recovery of polymer-like time-dependent solids is qualitatively investigated. More precisely the response of three constitutive models is analyzed: an elastic-viscoplastic model, a linear viscoelastic model and finally a viscoelastic-viscoplastic model. This last model is an original assembly based on the connection in series of the elastic-viscoplastic model and the linear viscoelastic model. For that, a new method allowing the connection in series of two different rheological models in a FE code is presented. To analyze the numerical results, the concept of representative stress and representative strain rate of a scratch test is introduced

Une approche bayesienne de l'identification des constantes élastiques orthotropes de pli à partir de tests de vibration de flexion sur stratifié = A Bayesian approach to identification of orthotropic elastic constants of the ply from vibration tests on a laminate

National audienceL'identification bayesienne est une des approches permettant de prendre en considération des erreurs de mesure ainsi que de modélisation. De plus, cette méthode identifie une densité de probabilité, permettant ainsi d'avoir des informations aussi bien sur la variance que sur la corrélation des propriétés identifiées. Cette procédure peut cependant être très coûteuse en temps de calcul. Pour réduire ce temps de calcul nous proposons ici une approche bayesienne basée sur la méthode des surfaces de réponse. L'approche est appliquée au problème de l'identification de constantes élastiques orthotropes à partir des mesures des fréquences propres d'une plaque vibrante libre. La procédure développée prend en compte des erreurs de mesures, de l'incertitude sur les autres paramètres d'entrée du modèle (dimensions de la plaque, densité), ainsi que des erreurs systématiques. La densité de probabilité jointe des quatre constantes élastiques du pli est identifiée et caractérisée par ses valeurs moyennes et la matrice de variance covariance. Nous trouvons que certaines paramètres, comme le coefficient de Poisson, sont identifiées avec une bien plus grande incertitude que d'autres et qu'une corrélation significative existe entre les différentes propriétés identifiées

Dimensionality reduction of full fields by the principal components analysis

http://www.iccm-central.org/Proceedings/ICCM17proceedings/Themes/Behaviour/FULL%20FIELD%20MEASU%20METH/F14.7%20Gogu.pdfInternational audienceThe principal components analysis is applied to simulated full field displacement maps of 4569 measurement points thus allowing representation of any field within a certain domain as a linear combination of five basis vectors without losing significant information. A dimensionality reduction from 4569 to only 5 is thus achieved

Monitoring the resin infusion manufacturing process under industrial environment using distributed sensors

A novel direct approach to detect the resin flow front during the Liquid Resin Infusion process under industrial environment is proposed. To detect the resin front accurately and verify the results, which are deduced from indirect micro-thermocouples measurements, optical fiber sensors based on Fresnel reflection are utilized. It is expected that the results derived from both techniques will lead to an improvement of our understanding of the resin flow and in particular prove that micro-thermocouples can be used as sensors as routine technique under our experimental conditions. Moreover, comparisons with numerical simulations are carried out and experimental and simulated mold filling times are successfully compared.Comment: JM-JCM-46.pd

Fissuration des nouveaux composites multiaxiaux multiplis cousus sous chargements thermiques cycliques

International audienceLes nouveaux renforts composites constitués de nappes unidirectionnelles non-tissées cousues du type NCF (Non Crimp Fabrics) sont adaptés au procédé RTM (Resin Transfer Moulding) et conduisent à des structures composites plus complexes ou de grande taille. Cependant, la présence du fil de couture entraine, après la mise en oeuvre, l'existence de zones riches en résine à l'intérieur du matériau. Ces dernières, sous chargements thermiques cycliques, sont à l'origine d'un état spécifique de fissuration. Un nouveau cycle de chargement thermique ainsi qu'un critère d'endommagement en prenant en compte la particularité morphologique de ce type de matériau ont été mis sur pied pour caractériser la fissuration en se basant sur une méthode d'observation classique 2D et évaluer l'effet des coutures

Méthode de grille : contribution à la conception d'une structure en matériaux composites en milieu industriel

L'objectif de ce papier est de contribuer à la diffusion des techniques de champ dans l'industrie mécanique. Les méthodes optiques de mesure de champs conduisent en effet à une connaissance quantitative des champs cinématiques à la surface des pièces et peuvent se révéler d'une aide efficace dans la phase de conception de structures en milieu industriel. Le papier souligne la richesse de cette approche à travers la conception d'une structure originale, du type poutre en Té, en matériaux composites pour l'aéronautique. La première partie introduit la problématique des liaisons de préformes en vue de la réalisation de pièces structurales en composites. La seconde partie présente l'essai permettant d'exercer une traction sur l'assemblage en Té et de caractériser son comportement. Le principe d'un essai instrumenté par grille a été retenu pour disposer d'informations suffisantes et tester la faisabilité de la mise en œuvre de cette technique en milieu industriel. La troisième partie souligne la méthodologie expérimentale utilisée et l'apport de la méthode de champ tant en ce qui concerne la connaissance de l'essai que le comportement de la structure