Mise au point d’une solution logiciel pour les matériaux composites Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis Projet de Fin d’Etudes Mise au point d’une solution logiciel pour les matériaux composites Encadré par: Alain Trameçon Bassem Zouari Yamen Maalej Réalisé par : Besbes Mahdi Copyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. PLAN Introduction Présentation du projet Méthodologie Simulation de tressage Simulation d’injection Calcul de perméabilité Conclusions Perspectives ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. INTRODUCTION ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Nécessité d’un outil de simulation INTRODUCTION Pièces aéronautiques en composite: Complexes Pièces de grande taille Essai-erreur très couteux Nécessité d’un outil de simulation ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Présentation du projet Contexte Procédé de Moulage par injection de résine liquide (RTM) Solution logiciel PAM-RTM ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Présentation du projet Intitulé: Mise au point d’un démonstrateur de solution logiciel pour les matériaux composites intégrant le procédé de tressage, l’injection de résine au travers du réseau fibreux et le calcul numérique de la perméabilité. ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. Méthodologie suivie 1 Simulation du tressage 2 Simulation de l’injection de résine 3 Calcul de perméabilité ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage Fabrication de poutres longues. Complexité de l’opération de tressage Simuler une séquence physique de tressage Prévoir la structure d’une préforme tressée 3D sèche ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. Cas test ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Cas test Modèle bar Modèle poutre Modèle coque Modèle hybride TEMPS CPU 23 (s) 120 (s) X 203 (s) L ’enveloppe - + Information sur la torsion Stabilité ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage La méthodologie Génération des modèles éléments finis Fibres Outils de tressage Applications des conditions aux limites Tension de maintien Encastrement de l’extrémité inferieure Définition de la cinématique des outils Mouvement longitudinal Mouvement transversal Définition des contacts inter fibres fibres-outils de tressage ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage Le pilotage Méthode directe des cinématiques imposées Nécessité de définir la cinématique du mouvement d’un métier de tressage pour tous les nœuds des fibres Données cinématiques énormes (indisponible) Méthode de pilotage cinématique par contact Modélisation des outils de tressage: cinématique imposée sur les outils ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage La cinématique Inspiré à partir du métier de tressage Préforme tressée Plan XY initial Étape 1 Étape 2 Fibre bobine Lit de la machine Étape 3 Étape 4 ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage Le modèle EF de la fibre La maille élémentaire est constituée : Elément coque : matériau nul ( type 100) Elément 1D : barre / poutre: matériau élastique (type 201) Les nœuds de la section de la fibre forment un corps rigide dont le centre a la même cinématique que l’élément 1D Géométrie prête pour la simulation de l’injection Coque enveloppe Un corps rigide Element poutre (ligne moyenne de la fibre) ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Automatisation de la génération des fibres Complexité de la construction du modèle de la fibre Absence d’outils permettant l’automatisation de la génération de la fibre sur PAM-CRASH Nécessité d’un programme MATLAB ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage Chaine numérique de création de la préforme Contact 2 ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage Les contacts (1/2) Contact 1: fibres-outils cinématiques Défini entre l’élément 1D (barre /poutre) et l’outil de tressage Type 34 (non symétrique) Responsable du pilotage cinématique Ajout de facteurs d’amortissement dans les matériaux des éléments 1D (équilibrer la répartition des efforts axiaux initialement imposés, diminuer les vibrations) ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage Les contacts (2/2) Contact 2: inter fibres Défini entre les éléments coques Type 34 /33 Type de contact 34 33 Epaisseur 1 0.5 Distance mini détectée 0.676 0.08 0.76 0.194 Rapport de pénétration max (%) 32.4 84 24 61.2 Nombre d’intersections détectées Temps CPU (105s) 1.145 1.049 1.272 1.116 ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation du tressage Simulation d’une séquence du tressage ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation de l’injection calculer la perte de charge lors de l’opération d’injection de résine. Cette opération est modélisée par un écoulement laminaire d’un fluide newtonien dans une matrice préétablie Résine Renfort fibreux ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation de l’injection F C1 C2 Equations de Navier Stockes généralisées: Conditions aux limites : injection suivant z, v =0,1 m/s sur C1 condition de sortie : p= 0 Pa sur C2 Vitesse nulle sur tous les autres bords (FU L )  viscosité = 1.0 (Pa s) L : surface latérale de la matrice C1 : surface du couvercle 1 C2 : surface du couvercle 2 F : surface des fibres Complexité du motif fibreux Résolution numérique ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation de l’injection Code PROCAST logiciel dédié aux problèmes de mécanique des fluides Utilise la méthode des éléments finis ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Code PROCAST Problèmes rencontrés Milieu poreux très fin Répartition irrégulière des pores Difficulté dans la génération du maillage volumique ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Simulation de l’injection Code FPM Code sans maillage Des nœuds appelés particules discrétisent: Le domaine d’étude La frontière de ce domaine La densité des particules est variable ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. Coupe longitudinale de la matrice discrétisée par les particules Les points d’entrées Les points de sortie Les points intérieurs Les points sur les frontières des surfaces intérieures ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Code FPM Solution en pression ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. Code FPM Résultats Contact 33 h=1mm Contact 33 h=0.5mm Contact 33 h=0.25mm ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

Calcul de la perméabilité Evolution de la perméabilité loi de Darcy: ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. Conclusions Difficulté de réaliser, expérimentalement, des mesures de perméabilité L’outil numérique vient pallier ce manque Nous avons construit une méthodologie pour la génération de la préforme sèche et pour l’injection de la résine. L’évolution de la perméabilité en fonction de l’épaisseur de contact semble réaliste. ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved. Perspectives Calcul de la perméabilité dans les deux autres directions développement d’un préprocesseur pour la création des fibres et des cinématiques (imposition directe de la cinématique) Gain en temps de préparation du modèle Gain en temps de calcul ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.

MERCI DE VOTRE ATENTION ESI GroupCopyright © ESI Group, 2009. All rights reserved.