Caractérisation, modélisation, simulation de défauts mésoscopiques de mise en forme de renforts tissés : Apparition-Attenuation-Acceptabilité

1 Contexte et enjeux

La mise en forme de renforts tissés secs fait apparaitre un certain nombre de défauts macroscopiques (plis) et mésoscopiques (glissement de mèches, boucles). Aujourd’hui, la communauté des composites travaille sur la caractérisation de ces défauts et notamment des défauts de type boucles et glissement de mèches. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’un programme ANR, nommé DEMERCO, fruit de la collaboration entre le laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (LaMé) et le Laboratoire Angevin de Mécanique, Procédés et InnovAtion (LAMPA), deux laboratoires avec des expertises expérimentales et numériques complémentaitres dans l’analyse et la génération de défauts de mise en forme de structrures fibreuses ainsi que dans la caractérisation du comportement mécanique et des mécanismes d’endommagement de matériaux composites. Ce projet peremettra une avancée considérable dans la compréhension des défauts de mise en forme, de leur influence sur la pièce finale. Cela facilitera les futures prise de décision 1 quant à l’utilisation de ces pièces et donc la diminution des rebuts de mise en forme. Le doctorant sera affecté au laboratoire Lamé, qui dispose des moyens expérimentaux et numériques nécessaires à l’étude de ces défauts de mise en forme.

2 Sujet de thèse

2.1 Problématique

Les matériaux composites sont très utilisés par les industries du transport (notamment dans les sectuers automobile, aéronautique ou maritime) ou de l’énergie (éolien, énergie marine, hydrogène par exemple) grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et physiques, notamment un rapport performance sur masse élevé, qui est essentile pour les applications structurelles [1]. Parmi les procédés de mise en oeuvre des composites, les procédés de type moule fermé (Liquid Composite Molding) tiennent une place importante, notamment pour les pièces structurelles de grandes dimensions ou de formes complexes, qui ne peuvent pas être fabriquées par d’autres méthodes [12] . La qualité de ces pièces dépend, entre autres de l’expertise technique des opérations impliquant le renfort fibreux (drapage, mise en forme par exemple), qui sont des sources de défauts potentiels [12, 13]. Ces défauts sont susceptibles de compromettre la performance mécanique des pièces et potentiellement limité leu durée de vie en service. Parmi ces défauts, les défauts mésoscopiques, qui sont des déformations locales des mèches (glissement, bouclage) apparaissent durant la phase de mise en forme [11] ou avec certains paramètres d’injection [2]. Dans la littérature, les défauts textiles ont été largement étudiés, à la fois expérimentalement [10, 4] et numériquement [8, 9]. Cependant, dans le cas des défauts mésoscopiques, leur caractérisation demeure un challenge à cause de la complexité du mouvement des fibres, du comportement non-linéaire et multi échelle des textiles [6, 7], de la variabilité des caractéristiques des défauts [5, 3] et des difficultées liées à l’instrumentation des essais sur renforts. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet ANR est de proposer une approche scientifique globale et innovante pour traiter les effets de types de défauts spécifiques (voilement et glissement de fils) qui surviennent lors de la mise en forme de préformes textiles et qui influencent le comportement mécanique ainsi que les mécanismes d’endommagement des pièces composites après fabrication.

2.2 Objectifs spécifiques

Conformément aux objectifs définis dans la section précédente, le doctorant aura en charge de mener une étude paramétrique numérique de grande envergure et devra la valider expérimentalement afin de générer des défauts de mise en forme dans les renforts textiles. L’un des objectifs sera donc de développer et valider une stratégie numérique capable de générer des défauts mésoscopiques induits par la mise en forme, ainsi que de reproduire fidèlement leur morphologie et leur localisation, en cohérence avec les observations expérimentales. Cela nécessite une compréhension approfondie de la phénoménologie de formation des défauts, suivie de l’identification des paramètres physiques et des descripteurs régissant l’amorçage et les caractéristiques de ces défauts. Le modèle numérique sera validé par une comparaison systématique avec des essais expérimentaux réalisés sur un dispositif spécifique conçu pour générer des défauts dans les tissus. Cette stratégie de virtual testing, préalablement développée 2 et validée expérimentalement, sera ensuite utilisée pour mener une étude paramétrique, appuyée par une interaction étroite entre les approches expérimentale et numérique. Cette seconde phase permettra d’établir des relations quantitatives entre les conditions de mise en forme, les conditions aux limites et les caractéristiques des défauts obtenus. Les déformées obtenues, numériquement et expérimentalement, serviront de données d’entrée pour les essais numériques et expérimentaux menées parle LAMPA afin d’aller plus loin dans la compréhension des mécanismes d’endommagement. Enfin, les stratégies d’atténuation proposées seront testées à l’échelle du procédé de fabrication par la mise en forme de pièces semi-industrielles non développables, parallèlement à leur version numérique correspondante. Les objectifs du candidat recruté seront donc : — de mettre au point la stratégie numérique permettant de simuler l’apparition de défauts — d’analyser la phénoménologie d’apparition des défauts — de réaliser des campagnes de virtual testing dans l’objectif de déterminer des relations quantitatives entre les descripteurs physiques, dérivés des paramètres identifiés précédemment, et les descripteurs géométriques des défauts — en parallèle, réaliser les essais expérimentaux permettant de valider la stratégie et les résultats numériques — réaliser des plaques avec défauts calibrés — finalement, réaliser une pièce composite non-développable avec défauts et son jumeau numérique

3 Environnement de travail

3.1 Encadrement

Dans une démarche de collaboration forte entre les deux laboratoires, l’équipe encadrante sera composée de membres du LaMé et du LAMPA : — Directeurs de thèse : — Gilles HIVET, Professeur des Universités, LaMé site de Chartres,  — Laurent GUILLAUMAT, Professeur des Universités, LAMPA, — Encadrants : — Audrey HIVET, Maître de Conférences, LaMé site de Chartres,  — Anwar SHANWAN, Maître de Conférences, LaMé site d’Orléans

3.2 Equipements

Le doctorant aura accès aux moyens numériques et expérimentaux des différents sites du LaMé : banc d’essais de génération de défauts, machine de mise en forme, microscope numérique, tomographe, cluster de calculs, etc.

Le laboratoire de mécanique Gabriel Lamé est un laboratoire de mécanique du solide, créé en 2018, et situé en région Centre Val de Loire. Il regroupe différents sites (Orléans, Tours, Blois, Bourges et Chartres) et est constitué de 3 équipes de recherche, dont l’équipe Mécanique des Matériaux et Procédés (MMP) à laquelle le stagiaire sera rattaché. Le positionnement multisite du laboratoire permet de disposer d’un nombre conséquent de moyens expérimentaux (bancs d’essais spécifiques, tomographes, etc.). Le stagiaire sera affecté au site de Chartres, comprenant une petite équipe familiale et dynamique, composée de 2 enseignants-chercheurs et 2 doctorants.

Le profil du candidat recherché est celui d’un master du solide et/ou des matériaux.

le candidat devra surtout être curieux et être force de propositions innovantes.

Une appétence pour la caractérisation expérimentale du comportement mécanique des matériaux est souhaitée et des connaissances en simulations par éléments finis seraient un plus.

Une connaissance et/ou expérience des matériaux textiles techniques serait appréciée.