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Essais & Simulations n°123

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Les essais et la simulation face aux défis des composites

dossier spécial

dossier spécial composites Une fois la validation effectuée, le concepteur peut ensuite passer au niveau suivant et simuler des composants entiers avant de passer au produit complet. Influence du procédé de fabrication sur le comportement et les performances structurales Le procédé de fabrication de la structure composite peut entraîner l’apparition de contraintes résiduelles dans le composant fabriqué, de la même manière que l’emboutissage ou l’échauffement important d’une pièce mécanique. Ces contraintes résiduelles, dues à la modification pendant le procédé des caractéristiques matérielles des composites entraînent des déformations de la pièce : on parle d’effet « spring back ». La première conséquence en est que la pièce, une fois démoulée, ne présentera pas exactement la géométrie visée (cf. fi ure ci-dessous). Une conséquence secondaire peut être que les performances du composant sont affectées. On peut par exemple citer l’influence des contraintes résiduelles sur le comportement en fatigue. Force (newtons) Test 1 Test 2 LMS Samcef Conclusions Grâce à la technologie Siemens PLM Software, l’industrie automobile peut disposer dès aujourd’hui d’une suite logicielle cohérente et complète permettant une conception optimale de véhicules utilisant les matériaux composites, tant pour les structures portantes que les composants secondaires. Le but visé est la conception correcte d’une pièce composite « du premier coup ». Il est à noter que Fibersim, tout comme NX CAE, peut utiliser des modèles CAO fournis par la plupart des éditeurs concurrents, faisant du système Siemens PLM Software une technologie ouverte et adaptable à la confi uration des utilisateurs. Sur base de ces technologies, et en réutilisant la méthode de « tolérance aux dommages » initialement développée par l’industrie aéronautique, il est d’ores et déjà possible d’envisager des véhicules répondant aux normes antipollution les plus pointues ainsi que les propulsions d’aujourd’hui et de demain. Enfin, cette méthodologie liée aux matériaux composites s’inscrit elle-même dans une stratégie beaucoup plus ambitieuse : le « System Driven Product Development » qui apporte une réponse à la complexité croissante des véhicules automobiles constitués d’un nombre croissant de systèmes et sous-systèmes de plus en plus interconnectés ainsi qu’à un nombre croissant de variantes d’un modèle donné afin de satisfaire les demandes d’une clientèle toujours plus exigeante. ● Patrick Morelle, Senior Marketing Manager de LMS (Siemens) Displacement (millimeters) Test d’un composant en « L » avec délaminage et comparaison avec SAMCEF dans NX CAE La bonne nouvelle est qu’il devient possible avec NX CAE – Samcef d’envisager la simulation de procédés de fabrication de pièces composites, incluant des phénomènes comme la cristallisation et le durcissement (« curing ») au travers de simulations couplées mécaniques et thermiques. Des exemples sont donnés dans les articles cités en Réf. [3] et [4]. À terme, ce type de simulation permettra d’optimiser non seulement les performances et le poids d’un composant utilisant les matériaux composites, mais aussi dans le même temps, le procédé de fabrication (température, pressions optimales, temps de durcissement…) assurant la meilleure qualité ainsi que les performances finales du composant. Une autre application consistera à juger de la « robustesse » d’un procédé donné en simulant l’influence de petites variations de paramètres sur le résultat final. Références [1] Ladeveze, P. and Le Dantec, S. 1992. Damage modeling of the elementary ply for laminated composites, Composites Science and Technology 43 : 123-134. [2] Allix O. and Ladevèze P. « Interlaminar interface modeling for the prediction of laminate delamination », Composite Structures, 22, 235-242, 1992. [3] Brauner, C., Bauer, S., Herrmann, A.S. (2015). « Analyzing process-induced deformation and stresses using a simulated manufacturing process for composite multi-spar flaps », Journal of Composite Materials, 49, p. 387‐402. [4] Dr. C. Brauner, Dr. A. Miene, Dr. R. Gaitzsch, Prof. Dr. A.S. Hermann (FASER Institute – FIBRE, Bremen University) ; Dr. F. Pascon, Prof. Dr. M. Bruyneel (SAMTECH, A Siemens Company), Advances in virtual process chain and connection with on-line monitoring methods for first time right manufacturing of thermoset laminated composites. NAFEMS World Congress, June 2015, San Diego 28 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015

spécial composites dossier Avis d’expert Conception de structures en composites ou comment optimiser performance et fabricabilité David Leigh Hudson, le directeur de la stratégie produit et du marché pour le portefeuille de produits Fibersim chez Siemens PLM Software (Waltham, MA, États-Unis), évoque la nécessité, dans le domaine de la conception de la pièce composite, de se tourner vers la notion de « processus d’ingénierie simultanée ». David Leigh Hudson, directeur de la stratégie produit et du marché de Fibersim (Siemens PLM Software). Le choix d’utiliser des matériaux composites lors de la conception d’une structure est dicté en général avec la demande du marché et les coûts. Les avantages liés au gain de masse, l’amélioration des performances, la réduction des coûts de matériaux et d’assemblage sont intéressants, mais la conception de pièces en polymères renforcées de fibres doit être améliorée. Avec l’avènement des composites, les méthodes traditionnelles de simulation, de conception et de fabrication ne sont plus adaptées. En fonction de la nature du matériau, la pièce doit être optimisée non seulement pour sa tenue fi ale, mais aussi en tenant compte du procédé de fabrication. Plus spécifiquement, simulation et conception doivent prendre en compte le procédé de fabrication au sein d’un processus d’ingénierie simultanée. Une pièce en composites est un « assemblage inséparable » fait de centaines de plis qui varient en nombre et en épaisseur d’un endroit à un autre. Les orientations réelles des fibres dépendent à la fois de la géométrie, du type de matériau et du procédé de fabrication. Par conséquent, il est essentiel, en phase de conception, de comprendre comment ces trois sources se combinent. Des fibres qui dévient de manière significative des orientations théoriques vont modifier les performances structurelles de la pièce en raideur et en effort. Elles peuvent aussi induire des déformations néfastes à la forme de la pièce lors de sa cuisson, dont la correction en bout de chaîne va accroître les coûts de production. La conception préliminaire des structures en composites est souvent faite à partir d’une géométrie et d’orientations de fibres idéalisées, bien que satisfaisantes les cas de chargement. En l’absence d’une compréhension suffisante des déviations réelles des fibres, les ingénieurs appliquent des facteurs de réserve redondants qui réduisent les propriétés mécaniques, ce qui se traduit par un surdimensionnement général des pièces en composites. Cela ne permet pas d’obtenir les performances structurelles et les gains de poids espérés. Mais aujourd’hui, la « visibilité virtuelle » sur les déviations effectives des fibres et les déformations du matériau, pendant la fabrication, aide à minimiser ce surdimensionnement endémique. Cette capacité logicielle, à laquelle on se réfère en général par « simulation du procédé de fabrication », permet d’estimer précisément les orientations réelles des fibres, et d’échanger des données plus précises entre calcul et conception, comme indiqué en fi ure 1. Figure 01 ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I29

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