Bonnet, Bénédicte (2005) Comportement au choc de matériaux composites pour applications automobiles. PhD thesis Sciences et génie des matériaux, ENSMP - Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP.

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Abstract

Pour la réalisation de pièces de structure automobiles (poutre d'absorption de chocs, quartavants, doublures d'aile...), les matériaux composites à matrice polypropylène renforcée de fibres de verre, continues ou coupées, sont pressentis. L'objet de cette étude est de proposer un modèle de comportement adapté à ces matériaux, capable de répondre de manière cohérente aux sollicitations statiques mais aussi dynamiques subies par ces pièces de structure. Deux matériaux différents ont été étudiés: un tissu et une matrice renforcée de fibres coupées.
Afin d'identifier les phénomènes dissipatifs au sein de ces matériaux et de mieux comprendre leur évolution avec la vitesse de sollicitation, une étude expérimentale a été menée incluant des observations microscopiques et des essais mécaniques à différentes vitesses de déformation comprises entre 10-4 s-1 et 100 s-1. Les essais réalisés à vitesse quasi-statique (<10-1 s-1) sont des essais de traction, de compression, de charge-décharge et de traction-compression. L'étude en dynamique (≥10-1 s-1) consiste en la réalisation d'essais de traction. Une étude approfondie de cet essai complexe a par ailleurs été réalisée afin d'améliorer l'analyse des résultats.
Un modèle de comportement unifié, valable pour des sollicitations statiques et dynamiques, est ensuite proposé. Il prend en compte les phénomènes d'endommagement, de viscoélasticité et de viscoplasticité observés lors de l'étude expérimentale. Son écriture très générale permet de modéliser le comportement de nombreuses familles de matériaux composites. Il a été implémenté dans le code de calcul ZéBuLoN et identifié pour les deux matériaux étudiés.
Enfin, plusieurs essais de validation sont présentés, sur structures simples (flexion à différentes vitesses, choc multiaxial) mais aussi sur pièces industrielles (choc sur poutre d'absorption...).

Table of content

Introduction générale 1
PARTIE 1 - CADRE DE LA THESE 7
Chapitre 1 - Contexte industriel de la thèse 9
1 Les matériaux composites dans l'industrie automobile [Giocosa 1999] 9
2 PLASTIC OMNIUM AUTO EXTERIEUR (POAE) et le projet SAFFIR 10
3 Objectifs industriels de l'étude 11
Chapitre 2 - Présentation des matériaux étudiés 13
1 Introduction 13
2 Les constituants 14
2.1 Les fibres de verre 14
2.2 La matrice polypropylène 15
2.2.1 Propriétés physico-chimiques 15
2.2.2 Mécanismes de déformation des polymères semi-cristallins 15
3 Généralités sur le comportement mécanique des composites17
3.1 Mécanismes d'endommagement dans les composites 17
3.2 Effets des grandes vitesses de sollicitation sur le comportement des matériaux composites 19
4 Le TWINTEX: un tissu verre/polypropylène 20
4.1 Elaboration du TWINTEX 20
4.2 Volume élémentaire représentatif (VER) du TWINTEX 21
5 Le PP-FVC: une matrice polypropylène renforcée de fibres de verre coupées 22
5.1 Elaboration des matériaux à matrice thermoplastique renforcée de fibres de verre coupées 22
5.2 Hétérogénéités microstructurales du PP-FVC 23
5.3 Volume élémentaire représentatif (V.E.R) du PP-FVC 25
PARTIE2 - ETUDE EXPERIMENTALE 27
Préambule à l'étude expérimentale 29
Chapitre 3 - Caractérisation en quasi-statique 31
1 Introduction 31
2 Méthodes expérimentales 31
2.1 Essais réalisés et objectifs 31
2.2 Moyens d'essais 32
2.3 Eprouvettes de caractérisation 33
2.3.1 Eprouvettes de TWINTEX 33
2.3.2 Eprouvettes de PP-FVC 34
2.3.3 Eprouvettes de matrice PP 35
2.4 Méthode d'exploitation des résultats 35
3 Résultats expérimentaux en quasi-statique 37
3.1 Caractérisation de la matrice 37
3.2 Caractérisation du TWINTEX 39
3.2.1 Caractérisation dans le sens chaîne 39
3.2.2 Caractérisation dans le sens trame 40
3.2.3 Caractérisation à 45° - Comportement en cisaillement 42
3.3 Caractérisation du PP-FVC 43
3.3.1 Caractérisation à 0° de la direction d'écoulement 44
3.3.2 Caractérisation à 90° de la direction d'écoulement 45
3.3.3 Caractérisation à 45° de la direction d'écoulement - Comportement en cisaillement 46
4 Conclusion 47
Chapitre 4 - Caractérisation en dynamique 49
1 Introduction 49
2 L'essai de traction à vitesse rapide () 49
2.1 Description du dispositif expérimental 49
2.2 Mesures des contraintes et des déformations 51
2.3 Les difficultés de l'essai de traction à vitesse rapide 51
2.4 Propagation des ondes de chargement et état de contraintes uniforme 52
2.4.1 Réflexion et transmission de l'onde de chargement en propagation viscoélastique 52
2.4.2 Simulation de l'essai de traction à vitesse rapide 54
2.4.3 Conclusions 55
3 Les essais de traction à 10-1 s-1 et à 1 s-1 56
4 Résultats expérimentaux en dynamique 56
4.1 Caractérisation de la matrice 56
4.2 Caractérisation du TWINTEX 57
4.2.1 Caractérisation dans le sens chaîne 57
4.2.2 Caractérisation dans le sens trame 57
4.2.3 Caractérisation à 45°-Comportement en cisaillement 59
4.3 Caractérisation du PP-FVC 60
4.3.1 Caractérisation à 0° de la direction d'écoulement 60
4.3.2 Caractérisation à 90° de la direction d'écoulement 61
4.3.3 Caractérisation à 45° de la direction d'écoulement 62
5 Conclusion 63
Synthèse de l'étude expérimentale 65
PARTIE3 - MODELISATION 67
Chapitre 5 - Ecriture du modèle de comportement 69
1 Introduction 69
2 Prise en compte des effets de la vitesse de déformation dans le comportement des matériaux: revue bibliographique 69
2.1 Lois de comportement ne prenant pas en compte l'endommagement 69
2.2 Lois de comportement prenant en compte l'endommagement 71
2.2.1 Différentes variables d'endommagement 71
2.2.2 Modèles de comportement cumulant endommagement et effets de la vitesse de déformation 72
3 Description du modèle de comportement retenu 73
3.1 Principes de construction d'une loi de comportement 73
3.2 Hypothèses générales pour la modélisation 75
3.2.1 Choix des variables d'état 74
3.2.2 Partition de la déformation et du potentiel d'état 76
3.2.3 Lois d'état 76
3.2.4 Second Principe de la Thermodynamique 77
3.3 Modélisation de l'endommagement 77
3.3.1 Modélisation de la fissuration 78
3.3.2 Modélisation de la rupture de fibres 87
3.3.3 Cumul de l'endommagement par fissuration intralaminaire et par rupture de fibres : récapitulatif 90
3.4 Modélisation de la viscoélasticité 90
3.4.1 Potentiel d'état viscoélastique et évaluation de σ% ve 91
3.4.2 Vérification du second principe de la thermodynamique 91
3.5 Modélisation de la viscoplasticité 92
3.5.1 Contrainte équivalente - critère de plasticité 93
3.5.2 Potentiel d'état viscoplastique 93
3.5.3 Vérification du second principe de la thermodynamique 94
4 Simplification de la loi de comportement pour le PP-FVC 94
5 Conclusions 95
Chapitre 6 - Implémentation du modèle de comportement 97
1 Introduction 97
2 Intégration des lois d'évolution de la loi de comportement 98
3 Implémentation de deux schémas d'intégration 99
3.1 Variables à intégrer et variables auxiliaires 99
3.2 Intégration à l'aide de la méthode explicite de Runge-Kutta 100
3.3 Intégration à l'aide de la méthode implicite dite ‘?-method' 102
3.3.1 Expression des résidus 102
3.3.2 Matrice jacobienne et matrice tangente 102
3.4 Simplification des schémas d'intégration dans le cadre de la modélisation du PP-FVC 105
3.4.1 Schéma explicite 105
3.4.2 Schéma implicite 105
4 Conclusion 106
Chapitre 7 - Identification du modèle de comportement
1 Introduction
2 Identification du comportement du TWINTEX
2.1 Particularités du comportement du TWINTEX 107
2.2 Résultats de l'identification 109
2.3 Commentaires 111
3 Identification du comportement du PP-FVC
3.1 Particularités du comportement du PP-FVC 115
3.2 Résultats de l'identification 116
3.3 Commentaires 116
4 Conclusion
PARTIE4 - VALIDATION 121
Chapitre 8 - Validation sur structures simples
1 Introduction 123
2 Simulations d'essais de flexion 123
2.1 Description de l'essai et des éprouvettes 123
2.2 Mise en données de l'essai de flexion 123
2.3 Modélisation d'essais de flexion sur le TWINTEX 125
2.4 Modélisation d'essais de flexion sur le PP-FVC 125
3 Simulations de chocs multiaxiaux sur éprouvettes de TWINTEX 127
3.1 Description de l'essai et des éprouvettes 127
3.2 Mise en données de l'essai 127
3.3 Résultats 128
4 Conclusion 130
Chapitre 9 - Calculs sur pièces industrielles 131
1 Introduction 131
2 Simulation d'un choc à 5 km.h-1 sur une poutre d'absorption en TWINTEX 131
2.1 Présentation de l'essai 131
2.2 Mise en données de l'essai 131
2.3 Résultats 132
3 Sollicitations sur un quart avant en PP-FVC 133
3.1 Présentation de l'essai 133
3.2 Mise en données des essais 134
3.3 Résultats et commentaires 134
4 Conclusion 136
Conclusions et perspectives 137
Bibliographie 143

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