Comportement en compaction

Le paragraphe suivant s’intéresse à la caractérisation du comportement des mèches comélées en compaction. Les essais de compaction ont été réalisés sur la même machine que celle utilisée pour les

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essais de traction, avec une cellule d’effort de 10 𝑘𝑁. Deux plateaux de compaction ont été utilisés.

Les essais ont été réalisés à la vitesse de 0,5 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛. Au vu de la structure des mèches comélées, pour obtenir un comportement moyen, une longueur assez importante (de l’ordre de 1 𝑚) a été com-pactée. Les essais ont été conduits jusqu’à des efforts de l’ordre de 400 𝑁 et la mesure d’écartement des plateaux avec un LVDT a montré que la souplesse machine pouvait être négligée. L’effort de com-paction mesuré a été ramené en 𝑁 par 𝑚𝑚 de longueur de la mèche. Dans un premier temps, son évolution est tracée en fonction de l’écartement des plateaux. Un résultat montrant le comportement global type est visible sur la Figure 2.15.a.

(a)

(b) (c)

Figure 2.15. Résultats des essais de compaction de mèches comélées : a. Résultat global, b. Répétabilité des résultats dans la zone d’augmentation des efforts, c. Réponse sous chargement cyclique.

Bien que le diamètre de la mèche soit de plusieurs 𝑚𝑚 dans les sections ouvertes (voir Figure 1.16), les efforts de compaction ne commencent à augmenter significativement que lorsque l’écarte-ment des plateaux devient inférieur au 𝑚𝑚 (Figure 2.15.a), ce qui correspond au diamètre typique de

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la mèche dans les zones de nœuds. La Figure 2.15.b, recentrée sur la zone d’augmentation des efforts, et où sont comparés trois résultats d’essais, montre une très bonne répétabilité. Le comportement dans cette phase est non linéaire et la rigidité de compaction augmente rapidement au fur et à mesure que la mèche est compactée. Les résultats des essais cycliques, présentés sur la Figure 2.15.c, montrent que le comportement est non élastique avec une déformation permanente et un décalage du début de la courbe de compaction qui traduit la réorganisation de l’ensemble des fibres. Cela correspond au comportement classique observé sur les ensembles de fibres et les textiles et qui a été évoqué dans le Chapitre 1.

Dans le but de mieux appréhender les phénomènes mis en jeu lors des essais, la Figure 2.16 sché-matise les différentes étapes de la compaction d’une mèche comélée. Pour simplifier et faciliter la compréhension, la compaction d’une zone de nœud et d’une section ouverte est représentée en pa-rallèle.

Figure 2.16. Différentes étapes de la compaction d’une mèche comélée.

Dans les sections ouvertes, le diamètre important de la mèche comélée fait que la fraction volu-mique de fibres initiale est très faible (inférieure à la dizaine de pourcents en supposant la section circulaire). Le diamètre beaucoup plus faible des zones de nœud, 1 𝑚𝑚 à 0,8 𝑚𝑚 (voire moins), con-duit au contraire à des fractions volumiques de fibres initiales beaucoup plus importantes pouvant dépasser les 50 % (voir Figure 2.16). Or, l’étude bibliographique menée dans le Chapitre 1 a permis de montrer que le comportement en compaction des ensembles de fibres dépendait principalement de la fraction volumique de fibres et de la structure de l’assemblage (fibres parallèles, fibres twistées...).

Du fait de la très faible fraction volumique de fibres dans les zones ouvertes, il y a initialement beau-coup d’espaces vides et très peu de contacts entre fibres ce qui conduit à des efforts de compaction initiaux extrêmement faibles dans ces zones. Cela correspond à la phase 𝑉_𝑓 ≤ 𝑉_𝑓0 dans le cadre du modèle de Toll (voir le paragraphe 1.7.3.1) qui considère que l’effort de compaction reste nul tant que la fraction volumique de fibres ne dépasse pas une valeur seuil. Ceci explique pourquoi les efforts ré-sultant de la compaction des zones ouvertes seules, mesurés lors des essais (entre les étapes schéma-tisées sur la Figure 2.16.a et sur la Figure 2.16.b), sont extrêmement faibles. Des efforts significatifs

noeud

Section ouverte

Plateaux de compaction

a

Fibres Contours de

la mèche

b

c

sont mesurés seulement lorsque les zones de nœuds commencent à être compactées (étape schéma-tisée sur la Figure 2.16.b). L’hypothèse peut être faite que les efforts de compaction mesurés ensuite résultent majoritairement de la compaction de ces zones de nœuds. En effet, la fraction volumique de fibres dans les zones ouvertes reste inférieure à celles des zones de nœud du fait de la largeur plus importante de la mèche dans les zones ouvertes (Figure 2.16.b et Figure 2.16.c).

Des essais de compaction menés à l’université de Gand permettent de confirmer la variabilité du comportement en compaction le long de la mèche comélée. Ces essais ont été menés sur des lon-gueurs de mèche beaucoup plus faibles (16 𝑚𝑚), c’est-à-dire de l’ordre de grandeur de la taille des zones de nœud et des sections ouvertes. Un capteur permettant des mesures d’effort très précises (de l’ordre du 𝑚𝑁) a par ailleurs été utilisé. Les résultats, rapportés sur la Figure 2.17, représentent l’évo-lution de l’effort de compaction en fonction du déplacement, l’acquisition débutant lorsqu’un effort est détecté.

Figure 2.17. Résultats des essais de compaction menés à l’université de Gand.

La courbe rouge correspond au résultat de compaction d’une zone de nœud. Le diamètre faible et la fraction volumique de fibre initiale importante conduisent à une augmentation rapide de l’effort de compaction avec le déplacement. La courbe bleue correspond, quant à elle, à la compaction d’une section ouverte : une phase de comportement non linéaire beaucoup plus marquée, pendant laquelle les efforts restent extrêmement faibles du fait de la très faible fraction volumique de fibres initiale, est observée.

Pour caractériser le comportement en compaction de la mèche, il faut calculer l’évolution de la fraction volumique de fibres au cours de la compaction. La difficulté majeure pour les mèches comé-lées vient de la variabilité de leur diamètre et du fait que leur section initiale soit circulaire. En effet, dans les travaux de Wendling, le calcul de la fraction volumique de fibre s’est avéré possible dans le cas de rovings en supposant une section de forme rectangulaire, constante le long de la mèche et grâce à la mesure par méthode optique de l’étalement latéral lors de la compaction [WEN13]. L’utilisation de cette méthode de mesure de l’étalement latéral n’a malheureusement pas permis d’obtenir de résultats probants sur les mèches comélées, du fait de leur structure particulière et de leur faible taille.

Par ailleurs, la section des mèches comélées étant circulaire, pour remonter à la fraction volumique de fibre, il serait nécessaire de faire des hypothèses sur la variation de la forme de la section transverse au cours de la compaction, comme dans le modèle proposé par Chen [CHE06] (voir paragraphe 1.7.3.1)

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par exemple. La réalisation d’images 3D par microtomographie, comme dans les travaux de Latil [LAT11], permettrait de calculer de manière plus précise l’évolution de la fraction volumique de fibre au cours de l’essai, mais n’était pas prévue dans le cadre du projet.

Dans le but de reproduire fidèlement le comportement en compaction dans la modélisation, il semble que l’utilisation d’une méthode d’identification inverse se basant sur la simulation d’un essai de compaction sur mèche de forme cylindrique soit la plus appropriée. La méthode utilisée sera dé-taillée dans le Chapitre 4.