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Modélisation et simulation de composite à renfort fabriqué par broderie

Yohan Gendreau

Masters thesis (2019)

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Cite this document: Gendreau, Y. (2019). Modélisation et simulation de composite à renfort fabriqué par broderie (Masters thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/3830/
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Abstract

RÉSUMÉ La broderie technique est une méthode de fabrication récente permettant de concevoir des préformes à géométries complexes et aux propriétés orientées. Cependant, puisque cette technologie utilise la couture comme méthode de fixation des fibres, une distorsion est induite dans leur parcours. Les propriétés mécaniques du composite conçu à l’aide de telles préformes se retrouvent donc influencées par différents paramètres de fabrication liés à la couture tels que le diamètre du fil de couture et le pas et l’espacement de la couture. Quelques travaux ont été faits sur la simulation de pièces fabriquées par borderie technique. Des approches de simulation par éléments finis avec pénalisation et de compensation de la courbure ont été utilisées afin d’obtenir les propriétés mécaniques équivalentes [1-3]. Cependant, les méthodes proposées dans ces travaux requièrent un grand nombre de caractérisations ou négligent plusieurs effets comme l’ondulation du renfort dans le plan ou le fil de couture. L’objectif principal de ce mémoire était de développer un outil de simulation permettant d’obtenir les propriétés élastiques effectives de matériaux composites fabriqués par broderie technique. Dans un premier temps, les différentes propriétés nécessaires à la modélisation du matériau ont été déterminées. Ensuite, une caractérisation des propriétés ciblées a été effectuée sur différents échantillons à l’aide de microscopies et de microtomographies. Une variation du taux volumique de renfort dans l’épaisseur des échantillons avec une diminution de 10% dans la première couche de renfort comparativement au taux volumique global a été observée. Une déviation de la fibre de renfort causée par l’insertion du fil de couture de l’ordre de 6° dans le plan et 3° hors plan a été mesurée. Dans un deuxième temps, un modèle d’homogénéisation en champs moyen a été implémenté dans MATLAB afin de simuler différentes configurations de préformes. Le modèle développé utilise une stratégie d’homogénéisation multi-étapes. Une compensation de l’orientation pour les fibres de renfort ainsi que le fil de couture a été implémenté via décomposition du volume élémentaire représentatif (VER) et une rotation des propriétés selon une courbe guide.----------ABSTRACT Tailored Fiber Placement (TFP) is a recent fabrication technique for producing preforms with complex geometries and oriented properties. However, since this technology uses sewing as a method of fixing fibers, a distortion is induced in the fiber path. The mechanical properties of the composite designed using such preforms are therefore influenced by different manufacturing parameters related to sewing such as the thread diameter and the pitch and spacing of the stitch. Some work has been done on the simulation of parts manufactured by TFP. Approaches based on penalization and compensation of the curvature were used in order to obtain the properties. However, these curvature compensation models only took into account the orientation in a single plane and no model incorporated the sewing thread. The main objective of this thesis is to develop a simulation tool to obtain the elastic properties of composite materials manufactured by technical embroidery. At first, the different properties necessary for the simulation of the material are determined. Then, a characterization of the targeted properties is carried out on different samples using microscopies and micro-tomography. A variation of the reinforcement through-the-thickness volume ratio of the samples with a decrease of 10% in the first reinforcement layer compared to the overall volume ratio was observed. A deviation of the reinforcing fiber caused by the insertion of the sewing thread in the order of 6 ° in the plane and 3 ° out-of-plane was measured. In a second step, a mean-field homogenization model is implemented in MATLAB to simulate different preform configurations. The model developed uses a multi-step homogenization strategy. Orientation compensation for the reinforcing fibers as well as the sewing thread is implemented via decomposition of the representative elementary volume (VER) and rotation of the properties along a guide curve. Finally, the results obtained by the mean-field model are compared to modulus tensile tests to verify their validity. Six configurations are compared to simulations obtained using the model and showed a good prediction within an 8.5% error. A second validation was performed with a simplified finite element model with an embedded elements method. The results obtained seem to be consistent and demonstrate a good prediction of the model. However, limitations have not allowed to ensure a validation on all the terms of the tensor.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie mécanique
Dissertation/thesis director: Louis Laberge Lebel
Date Deposited: 12 Jun 2019 14:52
Last Modified: 04 Jul 2019 16:04
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3830/

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