A contribution to the study of the forming of dry unidirectional HiTape® reinforcements for primary aircraft structures
Contribution à l’étude de la mise en forme de renforts secs unidirectionnels HiTape® pour structures primaires aéronautiques
Résumé
In the context of developing out-of-autoclave processes for primary aircraft structures, this PhD (CIFRE Hexcel/Mines Saint-Etienne funding in partnership with INSA-Lyon) aims to model and simulate the forming of an initially flat stack of HiTape® reinforcements. Developed by Hexcel, HiTape® is a dry unidirectional carbon fiber reinforcement with a thermoplastic veil on each side, designed to achieve a performance comparable to which of state-of-the-art preimpregnated materials. First, HiTape® behavior is characterized; in particular, nonlinear out-of-plane bending behavior is measured using a modified Peirce flexometer, and the inter-ply coefficient of friction is assessed with a pull-through friction test. Then, modeling the forming of structural reinforcements requires consideration of the material, geometrical and contact nonlinearities. A transversely isotropic hyperelastic law is therefore selected for the intra-ply behavior, while the interface where is located the melted thermoplastic veil is modeled using cohesive zones describing both friction and adhesion. The mechanical problem is solved using a finite element method with Z-set software. Finally, in order to simulate the forming of a stack of reinforcements, mold-to-preform contact is assumed to be perfect (frictionless).
S’inscrivant dans le contexte du développement des procédés hors autoclave pour les structures primaires aéronautiques, ce travail de thèse (financement CIFRE Hexcel/Mines Saint-Etienne avec implication de l’INSA-Lyon) a pour objectif de modéliser et simuler la mise en forme d’un empilement de renforts HiTape® préalablement déposés à plat. Développé par Hexcel, HiTape® est un renfort unidirectionnel sec de fibres de carbone avec un voile thermoplastique de chaque côté, permettant d’atteindre un niveau de performance similaire aux matériaux pré-imprégnés standards. Le comportement du renfort HiTape® est d’abord caractérisé sous diverses sollicitations. En particulier, le comportement non-linéaire en flexion hors-plan est quantifié à l’aide d’un flexomètre de Peirce modifié, et un essai de type pull-through permet d’évaluer le coefficient de frottement inter-plis. Dans un second temps, la modélisation de la mise en forme de renforts structuraux de type HiTape® nécessite de prendre en compte les non-linéarités à la fois matérielles, géométriques et de contact. Une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse est sélectionnée pour le renfort unidirectionnel. L’interface entre les plis, où est situé le voile thermoplastique à l’état fondu, est modélisée via des zones cohésives prenant en compte frottement et adhésion. Le problème mécanique est résolu par la méthode des éléments finis dans la suite logicielle Z-set. Dans les simulations de mise en forme d’empilements, le contact entre le moule et la préforme fibreuse est supposé parfait.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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