Essais & Simulations n°115

Dossier Matériaux

Dossier Matériaux Essais et Modelisation Philippe Pasquet - Nafems Essais & Simulations : Philippe Pasquet, pouvez-vous vous présenter ? Philippe Pasquet Je suis membre du Nafems et j'interviens en tant qu'expert dans le domaine de la simulation ; je suis plus particulièrement spécialisé dans les matériaux. J'ai effectué toute ma carrière depuis 1978 dans la simulation numérique, à la fois chez les éditeurs et dans des sociétés de services d'ingénierie qui réalisent des calculs et des expertises pour le compte des industriels. J'ai au cours de ma vie professionnelle beaucoup travaillé pour le CEA par exemple. Quelle place occupe la simulation dans les opérations d'essais effectuées sur les matériaux ? Elle occupe une place importante mais de là à dire comme elle a évolué, cela dépend beaucoup des applications. Dans le secteur du nucléaire par exemple, on utilise depuis toujours des matériaux très spécifiques et qui nécessitent de faire beaucoup d'essais et d'opérations de simulation. Ces essais sont essentiels pour concevoir des parois de plus en plus minces et imperméables aux radiations, mais aussi pour répondre aux risques de filtration et tester les comportement de ces matériaux. De même, les essais et la simulation sont tout aussi essentiels dans le secteur aéronautique. L'importance de la simulation n'a finalement pas fondamentalement changé, ni réellement augmenté dans ces domaines de l'industrie. Ce qui a en revanche beaucoup évolué, c'est la sophistication des matériaux et leurs voies de caractérisation. La simulation des comportements est un domaine complexe dans la mesure où elle exige beaucoup d'opérations de simulation car les matériaux sont très hétérogènes. Quelles sont les particularités des matériaux « en vogue », à l'image des matériaux composites ? Il existe une règle simple, même si elle reste complexe dans sa mise en oeuvre : plus on fabrique un matériau, tel que les matériaux composites, plus on est en mesure de maîtriser son procédé. C'est moins le cas pour les matériaux naturels tels que certains métaux et les bétons projetés par exemple, ou encore le bois, lequel est de plus en plus utilisé dans le génie civil. Il s'agit en effet d'un matériau « à la mode », dont le recours croissant dans l'architecture s'explique en raison des demandes de constructions plus écologiques. Les matériaux naturels sont par essence moins faciles à maîtriser. Or, on recherche aujourd’hui à aller le plus loin possible dans l'analyse de leurs comportements en remontant au niveau du grain voire de l'atome. Cela nécessite de plus en plus d'opérations de simulation à la fois en amont mais aussi en aval pour les essais de grandeur. Quels sont les grands défis que doit relever la simulation ? Dans le domaine du nucléaire par exemple, où les exigences fortes de caractérisation de matériaux de type aux caractéristiques fortes pour éviter tout risque d'agression à l'intérieur ou à l'extérieur des centrales, la simulation s'adapte plutôt bien. Il en est de même dans l'énergie pour les matériaux utilisés dans la fabrication de pipelines ou encore dans l'éolien et les hydroliennes ou encore dans l'aéronautique. Mais ce sont plutôt les utilisateurs qui s'adaptent mal, non pas en raison de leur formation ni de leurs compétences, mais à cause du manque de temps. Ils ont donc du mal à faire évoluer leurs habitudes et restent attachés aux mêmes schémas de modélisation. Pourtant, ce n'est pas faute de proposer des outils de plus en plus nombreux, sophistiqués et adaptés à leurs besoins. Les industries ont besoin de mieux synchroniser leurs équipes de R&D et leurs bureaux d'études. Propos recueillis par Olivier Guillon Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 26

Dossier Matériaux Essais et Modelisation IW) et Didier Trallero (Eurocopter). « Pour représenter les phénomènes de fatigue dans les pièces composites, il est important de considérer les phénomènes d’endommagement de la matrice et leur influence sur la rupture des fibres. En parallèle il est nécessaire de prendre en compte l’effet des gradients de déformation ». Jerôme Limido, docteur-ingénieur chez Impetus AFEA, expose la méthode développée pour l’analyse des mécanismes de coup de bélier hydrodynamique sur des réservoirs en composites. « L’originalité de notre approche réside dans la modélisation mixte SPH-FEM, basée sur un couplage de méthodes sans maillage à l’aide de SPH (Smoothed Particle Hydrondynamic) et d’éléments finis iso-géométriques d’ordre élevé », explique-t-il. Prendre en compte les procédés de fabrication Les procédés de mise en œuvre des matériaux composites sont nombreux et complexes : moulage au contact, par projection, enroulement filamentaire, RTM, LRI, etc. Toutefois leur industrialisation est encore récente, ce qui engendre de nombreuses difficultés quant à la prédictibilité des résultats. La présentation de Philippe Martiny, Team Leader Composite Structures and Processes au Cenaero, traite de la prédiction des déformations en sortie de cuisson en vue la compensation du moule. « Dans certaines applications, en particulier pour les pièces de grande longueur que l’on rencontre dans l’aéronautique ou le naval, cette différence n’est pas acceptable et il convient de corriger la forme du moule afin de compenser ces déformations » explique-t-il. Bundi Donguy, ingénieur d’applications chez Hutchinson R&D présente une méthode de modélisation pour le calcul mécanique des pièces composites en thermoplastiques renforcées de fibres. La méthode prend en compte les caractéristiques matériaux (orientation des fibres) induites par le procédé de fabrication des pièces par injection, dans les calculs mécaniques de structures. « Pour cette étude, nous avons utilisés plusieurs logiciels du commerce en raison de la complexité des modélisations (viscoélasticité, EVP, crash...). Une des difficultés consiste à bien mapper le maillage d’injection et le maillage de structure », ajoute-t-il. Composites et écoconception : où en est‐on vraiment ? Plusieurs procédés existent aujourd’hui comme la solvolyse, la thermolyse et le broyage. Des travaux de recherche sont prévus dans les années à venir pour préparer des résines directement solvolisables. On réfléchit également à une extension de la durée de vie des matériaux de façon à réduire le recyclage. Composites et simulation numérique : quels challenges pour les logiciels de demain ? Comme largement débattu au cours de la journée, plusieurs challenges sont à considérer : la nécessité d’une approche multi-échelle, la prise en compte globale conception-analyse-fabrication, et l’intégration de la simulation numérique à tous les niveaux de la pyramide depuis la caractérisation des matériaux jusqu’à la certification. Mais le principal challenge réside sans doute dans une approche méthodologique spécifique appuyée sur des outils logiciels dédiés, seule démarche capable de fournir une réponse appropriée plus intelligente que le simpliste (et erroné) black metal. Les logiciels du commerce ont clairement pris conscience de ces aspects et ont, pour une part, intégré des outils spécialisés permettant une modélisation appropriée des structures multicouches et intégrant des lois de comportement propres. Il reste sans doute encore beaucoup à faire pour que les utilisateurs se sentent en confiance dans leur utilisation et leur mise en œuvre. Réalisé par notre partenaire NAFEMS Perspectives S’il est certain que les matériaux composites prennent une place croissante dans les produits et les secteurs industriels modernes, il est tout aussi sûr que le manque d’expérience, de recul et de formation sont autant de difficultés auxquelles les industriels doivent faire face pour leur mise en œuvre. Alors, dans ce domaine encore jeune et en constante évolution, quelles sont les perspectives pour les années à venir ? Composites bi‐axiaux : une approche nouvelle pour le développement des composites ? Thierry Massard, directeur scientifique au CEA/DAM et CEO de Think Composites, propose de porter un regard nouveau sur la conception des composites avec une approche pragmatique basée sur un minimum d’orientations (deux en général), sur l’utilisation de couches élémentaires très minces, et sur des constats d’homogénéisation qui s’affranchissent des règles de symétrie des empilements. Essais & Simulations • OCTOBRE 2013 • PAGE 27