I.4 Motivations et objectifs de la thèse
I.4.3 Objectifs de la thèse
Dans l’optique présentée précédemment, nous proposons, à travers ces travaux de thèse, l’élaboration d’un nouveau modèle permettant de simuler l’étape d’imprégnation d’une préforme par un fluide, survenant lors de la mise en œuvre d’un matériau composite par un procédé d’infusion sous vide de type VARI. Ce procédé a l’avantage de faire l’objet uniquement d’un écoulement longitudinal, ce qui permet de nous concentrer exclusivement sur la problématique de la déformation dans l’épaisseur du renfort, sans qu’il n’y ait interférence d’un écoulement de fluide dans le sens transversal au plan de la préforme. Cette
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déformation est provoquée par l’existence d’un champ de pression dû à la présence de fluide, qui sera supposé réparti de manière uniforme dans l’épaisseur du renfort.
L’analyse des modèles présents dans la littérature révèle que la description du phénomène d’interaction fluide-structure, qui survient lors de l’étape d’imprégnation du renfort par la résine, s’articule autour de quatre lois, à savoir :
la loi de conservation de la masse (couplée à la loi de Darcy) (6.I) ;
la loi de Terzaghi (qui traduit l’équilibre des forces au sein du renfort) (8.I) ;
une loi de comportement mécanique selon l’épaisseur du renfort ;
la loi de perméabilité du renfort ;
qui, à elles seules, permettent de déduire l’expression, en fonction de la position et du temps,
de toutes les grandeurs qui interagissent lors du procédé, telles que la pression du fluide 𝑃𝑓, la
contrainte normale dans l’épaisseur du renfort 𝜎𝑓, la fraction volumique de fibres 𝑉𝑓, la
hauteur et la perméabilité 𝐾. Le diagramme de la Figure 12 traduit l’imbrication des
différentes lois entre elles (pour un écoulement unidirectionnel selon 𝑥⃗⃗⃗), au travers d’une
boucle d’itération de calcul à répéter depuis le début de l’imprégnation (lorsque le renfort est entièrement sec) jusqu’au remplissage complet du moule (lorsque le renfort est totalement imprégné).
Les lois de conservation de la masse et d’équilibre des forces sont amplement approuvées et adoptées par la majorité de la communauté scientifique, et leur légitimité n’est pas discutée dans la littérature. L’originalité de la plupart des modèles existants provient principalement des conditions initiales et aux limites considérées, et/ou des lois caractéristiques des renforts, sur lesquelles se focaliseront davantage ces travaux de thèse, en particulier la loi de comportement mécanique du renfort selon l’épaisseur.
Le nouveau modèle proposé a pour ambition de simuler le remplissage d’une préforme pour une large gamme de renforts de différents types, en garantissant une reproduction fidèle de leur comportement subissant une décompression à l’état imprégné au cours de cette étape. Afin de mieux cerner la réponse complexe des préformes lors de cette étape de fabrication, une étude expérimentale approfondie de deux types de renforts à l’architecture bien distincte (mat et tissé) sera menée via l’utilisation d’une machine de traction/compression standard. Le but de cette démarche est de comprendre et d’identifier le comportement des renforts en décompression à l’état imprégné, et de mesurer l’influence de plusieurs paramètres, tels que la viscosité du fluide imprégnant et la vitesse de déformation du renfort, sur la réponse décrite par le renfort lors de sa décompression. Les viscosités et les gammes de vitesses employées au cours de ces essais auront été sélectionnées en amont pour correspondre au plus proche aux viscosités et intervalles de vitesses de déformation réels, mesurés lors de différents essais d’infusion sous vide préalablement réalisés sur les deux renforts étudiés.
L’enjeu final de cette approche expérimentale est de récolter les données nécessaires à l’écriture et à la caractérisation d’une loi de comportement pour les renforts, grâce à
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l’exploitation des résultats issus des essais de caractérisation par une machine de traction/compression standard. Au passage, nous chercherons à identifier les conditions expérimentales les plus appropriées à mettre en place lors de ces essais, afin de reproduire au mieux un comportement en décompression identique à celui s’opérant lors de l’imprégnation d’un renfort par infusion sous vide.
Figure 12. Diagramme de mise en relation des différentes lois décrivant le phénomène d'interaction
fluide-structure au cours du procédé d'infusion sous vide
Par la suite, l’essentiel des travaux de thèse sera consacré à la modélisation de cette étape de remplissage, grâce à l’implantation de la nouvelle loi de comportement dans un code existant d’infusion sous vide en 2D, qui sera plus amplement décrit dans la suite du manuscrit. La contribution de cette thèse porte donc principalement sur la partie traitant de la déformation du renfort selon l’épaisseur, au cœur du phénomène d’interaction fluide-structure, grâce à la mise en place d’une méthode d’identification de la loi de comportement mécanique dans l’épaisseur valable pour différents types de renforts et à l’implantation dans le code numérique de la nouvelle loi de comportement issue du traitement des données expérimentales recueillies.
Enfin, nous confronterons les solutions issues de la simulation avec les résultats expérimentaux, obtenus préalablement pour plusieurs cas d’essais d’infusion sous vide.
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Chapitre II
C
ARACTERISATION EXPERIMENTALE D
’
UN RENFORT
IMPREGNE EN DECOMPRESSION DANS L
’
EPAISSEUR
Avant de procéder à l’analyse expérimentale du comportement selon l’épaisseur des renforts étudiés, d’abord par une caractérisation in situ lors d’un essai d’infusion sous vide (mesure du comportement réel) puis par une caractérisation ex situ (méthode conventionnelle), il est avant tout nécessaire de réaliser un état de l’art sur la question du comportement complexe des renforts dans l’épaisseur, qui dépend des conditions de sollicitation expérimentales envisagées. Cette analyse de l’existant a pour but de mettre en lumière les paramètres qui influent sur le comportement du renfort, notamment lorsqu’il est à l’état imprégné et soumis à une décompression dans la direction de l’épaisseur.