Modeling and simulation of vibrating flow. Application to the ultrasonic welding of thermoplastic matrix composites.
Modélisation et simulation d'un écoulement sous vibration. Application au soudage par ultrasons de composites à matrice thermoplastique.
Résumé
Nowadays, composite materials tend to take a prominent position in the mechanical industry, especially aeronautical industry. Thermoplastic matrix composites offer a solution to reduce the long cycle time associated to thermoset matrix. New process are therefore associated to these materials. The present work focuses on the welding of thermoplastic composites. The ultrasonic welding process consists in dissipating a mechanical work at the interface. The temperature rises and induces a flow in the welding zone. The so called "continuous" process, proposed by EADS IW, may allow the assembling of aeronautical structures at an industrial scale using the ultrasonic technique. Of course, a good understanding of the process is essential before such an aeronautical application. In order to study the quality of the adhesion, the present work stands at the mesoscopic scale of few millimeters. The problematic consists in modeling and simulating numerically the thermo-mechanics of the flow at the interface during the welding process. It aims at better understanding the links between the process parameters, the physical phenomena in the welding zone, and the quality of the joining. After having identified the dominating physical phenomena, the modeling of this flow reveals the coexistence of fast (vibration) and slow (flow) phenomena. A time homogenization technique using asymptotic expansion allows to model the process with three coupled boundary value problems. The numerical solving of those problems needs specific methods in order to manage multi-physical coupling and large deformation of the geometry. Finally, the numerical tool developed allows to study the influence of different process parameters on the quality of the flow and the welding.
Les matériaux composites occupent une place de plus en plus importante dans l'industrie, en particulier aéronautique. Les composites à matrice thermoplastique suscitent aujourd'hui dans ce secteur un très fort engouement par rapport à leurs concurrents thermodurcissables. Le présent travail de thèse se concentre sur le soudage de matériaux composites à matrice thermoplastique. Le procédé de soudage ultrasons consiste à dissiper un travail mécanique au niveau de l'interface. La température augmente alors localement et entraîne un écoulement dans la zone soudée. Le procédé dit "continu", proposé par EADS IW, permet aujourd'hui d'envisager l'assemblage de structures aéronautiques à l'échelle industrielle par la technique ultrason. Bien évidemment, une bonne compréhension du procédé est un préalable indispensable à une telle application aéronautique. Afin d'étudier la qualité de l'adhésion, la présente étude se situe à l'échelle dite mésoscopique, de quelques millimètres. La problématique consiste à modéliser puis simuler numériquement la thermo-mécanique de l'écoulement à l'interface lors du soudage. L'objectif est de mieux comprendre les liens entre les différents paramètres du procédé, les phénomènes physiques dans la zone soudée et la qualité de la soudure. Après identification des phénomènes physiques prépondérants, la mise en équations de cet écoulement révèle la co-existence de phénomènes rapides (vibration) et lents (écoulement). Une méthode d'homogénéisation temporelle par développements asymptotiques permet alors de modéliser le procédé à l'aide de trois problèmes aux limites couplés. La résolution numérique de ces problèmes nécessite l'utilisation de méthodes particulières permettant de gérer les couplages multiphysiques et les grandes déformations de la géométrie. Finalement, l'outil numérique développé permet une analyse de l'influence des paramètres procédés sur la qualité de l'écoulement et du soudage.
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