Viscoelastic Distortion During Manufacturing and Post-Curing of Thermoset Composites: Characterization and Modeling

L'utilisation des matériaux composites à matrice organique (CMO) thermodurcissable dans l'industrie aérospatiale ne cesse d'augmenter, comme le montre le développement des moteurs LEAP de Safran et General Electrics ou les avions C-series de Bombardier. Ces matériaux possèdent un rapport rigidité/masse plus avantageux ainsi qu'une meilleure résistance à la corrosion et à la fatigue que les alliages métalliques. Ces avantages font des matériaux composites d'excellents candidats pour des applications de haute performance. Cependant, leur utilisation pour des composants structuraux a été restreinte de par leur faible résistance au délaminage (particulièrement les composites stratifiés) et leur instabilité géométrique suite à la fabrication. Depuis les années 1960, des renforts tridimensionnels (3D) ont été développés pour améliorer la résistance à l'impact et au délaminage des composites. Les instabilités géométriques sont essentiellement attribuables aux contraintes résiduelles qui se développent pendant la fabrication. Le retrait chimique de la résine, l'incompatibilité des coefficients de dilatation thermique du renfort et de la matrice et l'interaction entre la pièce et le moule sont connus pour être les principaux mécanismes responsables de la génération des contraintes résiduelles. Ces distortions sont préjudiciables pour les profils aérodynamiques, comme celui des aubes soufflantes. L'industrie aérospatiale déploie donc des efforts considérables pour les éviter. Actuellement, les moules et les paramètres de fabrication sont modifiés suivant une méthode essais-erreurs pour tenir compte de la distortion induite au cours du procédé de fabrication. Il est donc essentiel de développer une méthodologie numérique pour concevoir les moules et déterminer les paramètres de fabrication réduisant les instabilités géométriques. Ce travail vise à comprendre l'origine physique de la distortion résiduelle rencontrée dans des pièces composites pendant le cycle de post-cuisson et à développer un outil numérique pour prédire les contraintes résiduelles et la distortion géométrique induites au cours d'un cycle de fabrication de moulage par transfert de résine (Resin Transfer Molding, RTM). Premièrement, une nouvelle hypothèse basée sur le comportement viscoélastique des composites a été présentée pour expliquer l'évolution de la distortion géométrique de pièces ayant été soumises à un cycle de post-cuisson. Elle suppose que du fluage peut être observé pendant le cycle de post-cuisson réalisé à l'extérieur du moule de fabrication, augmentant ainsi la distorsion géométrique des pièces. Pour valider cette hypothèse, six plaques bilames à renforts 3D interlock ont été fabriquées et soumises à différents cycles de post-cuisson.

Abstract

This thesis aimed at understanding the physical origins of process-induced residual distortion in composite parts during the post-curing process and to develop a numerical tool to predict the residual stresses and geometrical distortion developed during Resin Transfer Molding (RTM) and post-curing processes. Firstly, an hypothesis based on the composite's viscoelastic behavior was presented to explain the geometrical distortion evolution encountered in parts after being submitted to a free-standing post-curing cycle. This hypothesis states that creep strains can develop during the heating and isotherm phases of a free-standing post-curing process, thus increasing the part's geometrical distortion. To validate this hypothesis, six flat plates with a [0/90] lay-up configuration reinforced with a three dimensional interlock woven fabric were manufactured and submitted to different post-curing cycles. The geometrical distortion was measured after the manufacturing cycle using a Linear Variable Differential Transducer (LVDT) and during the post-curing cycle by digital image analysis. The results showed that the geometrical distortion could increase by up to 20 % after once the plate is submitted to a free-standing post-curing cycle. Moreover, it was found that the post-curing geometrical distortion evolution was time and temperature dependent. A rigorous and comprehensive review of the numerical models generally used in the literature to predict residual stresses and geometrical distortions developed during the manufacturing process of composite parts is presented. The validity and accuracy of elastic (i.e., CHILE), viscoelastic and path-dependent models and their implementation into a finite element software have been analyzed by computing the stresses and strains evolution during single element simulations exposed to thermal and mechanical cycles. The results revealed that the instantaneous-elastic and path-dependent models were not suitable for simulations where the mechanical properties evolve during the analysis. Finally, a sequentially modular approach was developed to simulate the thermo-chemomechanical phenomena involved in the manufacturing and post-manufacturing processes. The geometrical distortion developed during the manufacturing of asymmetric plates was computed using thermo-elastic and viscoelastic models was compared to those measured experimentally after the RTM manufacturing and during the post-curing process. It was found that elastic and viscoelastic models predicted similar residual stresses and geometrical distortion evolution during the studied RTM manufacturing process and led to discrepancies lower than 5 %, when compared to experimental measurements.