Caractérisation du comportement d’une plaque composite de grande dimension

Introduction

L’un des principaux aspects que les entreprises manufacturières doivent prendre en compte dans les développements technologiques est le contrôle de qualité de leurs produits. À la fin d’un procédé de fabrication, la pièce produite doit respecter un niveau de tolérance prescrit. Dans l’industrie aéronautique et automobile, les pièces flexibles de grandes dimensions dans un plan par rapport à leur épaisseur peuvent prendre différentes formes, en fonction des variations géométriques ou des charges gravitationnelles. Par exemple, un panneau de revêtement d’avion peut se déformer légèrement à l’état libre, le rendant potentiellement inacceptable pour l’assemblage [1]. Par conséquent, l’un des problèmes les plus importants en matière de contrôle de qualité est l’inspection de la géométrie des pièces flexibles avant l’assemblage. Des montages spéciaux sont nécessaires pour compenser les déformations des pièces flexibles. Le processus est généralement coûteux et prend beaucoup de temps. Par exemple, les figures 1a et 1b montrent respectivement un panneau d’aéronef à l’état libre, et contraint par un agencement de supports.

Figure 1. Un panneau d’aéronef : (a) à l’état libre, et (b) contraint sur un montage de supports [2]

Il est largement admis qu’une inspection virtuelle, généralement effectuée par simulations numériques pour remédier à la déformation de pièces flexibles à l’état libre, entraînerait des économies de temps et d’argent considérables. De nos jours, le recours aux pièces en matériaux composites augmente progressivement, en particulier dans l’industrie aéronautique. Toutefois, jusqu’à présent, aucune méthode d’inspection virtuelle n’a été élaborée pour les pièces composites flexibles, du moins à notre connaissance. La raison est que le comportement de déformation des pièces composites flexibles est beaucoup plus complexe que celui des matériaux élastiques linéaires, comme l’aluminium. Par conséquent, mieux comprendre le comportement des pièces composites flexibles est, bien que très difficile, nécessaire pour diverses applications, telles que l’inspection virtuelle.

Problème et solution

Les matériaux orthotropes minces, comme les composites renforcés de fibres, peuvent être représentés par une structure laminaire à quatre paramètres élastiques indépendants dans un plan (modules de Young E₁ et E₂, module de cisaillement G₁₂, coefficient de Poisson ). Toutefois, lors de l’assemblage, une pièce flexible subit de grandes déformations, ce qui modifie considérablement les propriétés constitutives du matériau. Par conséquent, ce modèle n’est plus valide lors des procédés d’assemblage. Une autre approche est l’hyperélasticité, qui pourrait fournir un cadre pour la modélisation de grandes déformations anisotropes [3-6].

Selon cette approche, nous proposons un modèle de matériaux hyperélastique capable de reproduire le comportement de composites renforcés de fibres flexibles (voir l’équation (17), Vu et coll. [7]). Les paramètres de ce modèle ont été déterminés grâce à un travail expérimental de caractérisation.

Travail de caractérisation

Les paramètres du modèle de matériaux sont obtenus par régression non linéaire en minimisant la différence entre les données des essais expérimentaux de flexion et de la simulation numérique.

Essais expérimentaux

Figure 2. Échantillons d’essai

Figure 3. Essais de flexion en trois points avec l’appareil MTS

Le matériau composite utilisé dans cette étude est une matrice de plaque consolidée à quatre couches de polyphénylène sulfide (PPS) et de tissus en fibre de carbone (CF/PPS). La fraction volumique de fibres ( ) est de 50 %. L’épaisseur totale du stratifié à quatre couches est d’environ 1,24 mm (0,31 mm par couche). Des échantillons de 300 mm × 34 mm × 1,24 mm ont été fabriqués selon deux différentes configurations d’orientation des fibres : (1) quatre couches de  et (2) quatre couches de , comme indiqué à la figure 2.

Des essais de flexion en trois points ont été effectués sur un appareil MTS où le déplacement est régulé, comme présenté à la figure 3. Cinq tests ont été effectués pour chaque configuration, comme résumé au tableau 1.

Tableau 1. Échantillon et paramètres d’essai

Résultats

La figure 4 compare les résultats numériques aux données expérimentales. Nous pouvons constater une bonne corrélation entre les résultats prévus par le modèle de matériaux proposé et les données expérimentales obtenues.

Figure 4. Comparaison entre les résultats numériques et les données expérimentales

Les résultats ont démontré que les erreurs relatives entre les résultats numériques et les données expérimentales étaient assez faibles, l’erreur relative moyenne étant de 0,0160. Il s’avère que la réponse mécanique du modèle de matériaux proposé était bien adaptée au comportement mécanique du CF/PPS multicouches lors de l’essai de flexion à trois points.

Conclusion

Cet article présente un modèle de matériaux hyperélastique pour évaluer le comportement mécanique de feuilles composites renforcées de fibres multicouches. Les paramètres du matériau ont été déterminés par des travaux expérimentaux de caractérisation. Les résultats ont démontré que :

• Les modèles proposés conviennent au matériau composite multicouche CF/PPS.
• Les paramètres de matériaux des modèles proposés peuvent être déterminés lors d’essais de flexion en trois points menés sur des spécimens comportant deux différentes configurations d’orientation des fibres.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article de suivant :

Vu, N.-H., Pham, X.-T., François, V., Cuillière, J.-C. 2018. « Characterization of multilayered carbon-fiber–reinforced thermoplastic composites for assembly process« . Journal of Thermoplastic Composite Materials.