INTRODUCTION AUX MATERIAUX COMPOSITES SUR ABAQUS Analyse d’une planche de kitesurf
Miren EGAÑA 4eme année GM
Table of Contents 1
Introduction aux matériaux composites .............................................................................. 2 1.1 Les Renforts :............................................................................................................... 2 1.2 Les Matrices : .............................................................................................................. 3 1.3 Types ........................................................................................................................... 4 2 Matériaux composites sur ABAQUS 6.8 ............................................................................ 5 2.1 Créer le PART ............................................................................................................. 5 2.2 PROPERTY ................................................................................................................. 6 2.3 ASSEMBLY ................................................................................................................ 8 2.4 STEP ............................................................................................................................ 8 2.5 MESH .......................................................................................................................... 9 2.6 LOAD ........................................................................................................................ 10 2.7 CREATE JOB............................................................................................................ 10 2.8 CRITERE TSAI-HILL .............................................................................................. 10 2.9 RESULTATS............................................................................................................. 12 3 Résultats des solutions ...................................................................................................... 15 4 Conclusion ........................................................................................................................ 18
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1 Introduction aux matériaux composites Un matériau composite est, par définition, tout alliage ou matière première comportant un renfort sous forme filamentaire. Il nécessite l’association intime d’au moins deux composants: le renfort et la matrice , qui doivent être compatibles entre eux et se solidariser, ce qui introduit la notion d’un agent de liaison, l’interface. Contrairement aux matières premières classiques dont on connaît à l’avance les caractéristiques mécaniques, celles des composites ne sont réellement connues qu’après fabrication, car on réalise, en même temps, le matériau et le produit. Actuellement, les composés à matrice organique représentent plus de 99% des matériaux composites ; toutefois, il existe également des composites à matrice inorganique (métallique ou céramique) dont la diffusion reste encore marginale. Les matériaux composites, tels qu’ils sont définis dans le cadre de ce cours, ont été volontairement limités à ceux constitués par : • une matrice organique, résine thermoplastique (TP) ou thermodurcissable (TD), • une structure de renfort constituée de fibres, qui peuvent être de verre, de carbone, d’aramide ou de fibres naturelles (lin, chanvre, sisal), • ces deux constituants principaux reçoivent des additifs ou charges nécessaires pour assurer une adhérence suffisante entre le renfort fibreux et la matrice Ils permettent également de modifier l’aspect ou les caractéristiques de la matière à laquelle ils sont ajoutés2 : pigments de coloration, agents anti-UV, charges ignifugeantes, isolation thermique ou acoustique.
1.1 Les Renforts : Les renforts contribuent à améliorer la résistance mécanique et la rigidité des matériaux composites et se présentent sous forme filamentaire, allant de la particule de forme allongée à la fibre continue qui donne au matériau un effet directif. Ils sont caractérisés par : • la nature de la fibre, minérale ou organique, • l’architecture du renfort, Unidirectionnel (UD) ou Tissu...
Figure 1
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1.2 Les Matrices : La matrice permet de lier les fibres de renforts, de répartir les contraintes, d'apporter la tenue chimique de la structure et de donner la forme désirée au produit final. Les différentes familles de Matrice sont présenté l'organigramme suivant:
Figure 2
Parmi ces familles de résines, on distingue deux types de résines qui sont, actuellement, les plus utilisées: • Les résines thermodurcissables (TD) qui sont, en général, associées avec des fibres longues. Les polymères thermodurcissables ont la forme d’un réseau tridimensionnel ; au cours de la polymérisation, ce réseau se ponte (double liaison de polymérisation) et durcit de façon définitive lors du chauffage selon la forme souhaitée. La transformation est irréversible. • Les résine thermoplastiques (TP), renforcés avec des fibres courtes (et, parfois, avec des fibres longues) se développe fortement. Les polymères thermoplastiques ont une structure linéaire ; ils sont mis en forme par chauffage (les chaînes se plient), et durcissent au cours du refroidissement (les chaînes se bloquent). La transformation est réversible.
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Tableau 1
1.3 Types Les matériaux composites disposent d'atouts importants par rapport aux matériaux traditionnels. Ils apportent de nombreux avantages fonctionnels : légèreté, résistance mécanique et chimique, maintenance réduite, liberté de formes. Ils permettent d'augmenter la durée de vie de certains équipements grâce à leurs propriétés mécaniques et chimiques. Ils contribuent au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs et au feu . Ils offrent une meilleure isolation thermique ou phonique et, pour certains d'entre eux, une bonne isolation électrique. Ils enrichissent aussi les possibilités de conception en permettant d'alléger des structures et de réaliser des formes complexes, aptes à remplir plusieurs fonctions. Dans chacun des marchés d'application (automobile, bâtiment, électricité, équipements industriels,…), ces performances remarquables sont à l'origine de solutions technologiques innovantes.
On distingue deux types des matériaux composites : • Les composites grande diffusion (GD). • Les composites haute performance (HP). Les GD représentent 95% des composites utilisés. Ce sont en général des plastiques armés ou des plastiques renforcés, le taux de renfort avoisinant 30%. Dans 90% des cas, l'anisotropie n'existe pas ou n'est pas maîtrisée car les renforts sont des fibres courtes. Les principaux constituants de bases sont les résines polyesters (95% des résines thermodurcissables) avec des fibres de verre (+ de 99% des renforts utilisés). Renforts et matrices sont à des coûts voisins. Les HP, principalement utilisés dans l'aéronautique sont d'un coût élevé. Les renforts sont plutôt des fibres longues. Le taux de renfort est supérieur à 50%, et ce sont les renforts qui influent sur le coût. Les propriétés mécaniques (résistance mécanique et rigidité) sont largement supérieures à celles des métaux, contrairement aux GD. Des méthodes de calculs de structures et d'homogénéisations ont été développées pour les HP. 4
2 Matériaux composites sur ABAQUS 6.8 2.1 Créer le PART Si le dessin de la pièce est créé sur un autre logiciel, il faut faire IMPORT PART. Si le logiciel qui a été utilisé est CATIA V5 il faut choisir celui-là comme on peut voir dans la figure 4.
Figure 3
Figure 4
Une fois que nous avons fait l’IMPORT PART, nous allons avoir notre pièce sur ABAQUS comme on peut voir dans la figure 3. Quand nous avons la pièce sur ABAQUS nous allons faire quelques partitions pour pouvoir appliquer après les conditions limites et les charges.
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Figure 5
2.2 PROPERTY Pour créer les matériaux nous allons choisir ELASTIC, TYPE LAMINA. Nous allons décrire les matériaux avec les suivantes propriétés: E1, E2, Nu12, G12, G13, G23.
Figure 6
En matériaux composites nous allons utiliser quelques critères pour savoir si la pièce il va se casse ou no. Pour appliquer ces critères est nécessaire définir un autre paramètre des matériaux. Cette propriété est le FAIL STRESS. Comme on voit a la figure 4 il faut cliquer a la parti droite, il s’appelle SUBOPTIONS. Une fois que nous avons clique dessus il apparaitre un tableau à remplir. Les caractéristiques que nous devrons remplir on peut voir dans la figure 7.
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Figure 7
Grâce à ces opérations nous avons déjà défini les matériaux. A continuation, nous allons créer les matériaux composites avec le CREATE COMPOSITE LAYUP.
Figure 8
La première chose que nous allons définir est le nombre des plis et l’élément type (dans notre cas CONVENTIONAL SHELL). Ensuit nous allons remplir le tableau de la figure 10.
Figure 9
Figure 10
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Dans le tableau de la figure 8 nous allons définir la région, le matériel, l’épaisseur et l’orientation des plis. Postérieurement nous allons faire ASSING MATERIAL ORIENTATION.
Figure 11
Si nous voulons voir si on a bien fait l’assignation des plis on peut voir en QUERY, PLY STACK PLOT. Nous allons avoir une image comme on peut voir en la figure 11.
Figure 12
2.3 ASSEMBLY 2.4 STEP Nous allons créer un STEP.
Figure 13
Est intéressant de changer l’incrément parce que après nous allons analyser dans chaque step si il se casse ou no. 8
Figure 14
2.5 MESH Nous allons utiliser le MESH pour mailler notre pièce. Premièrement nous allons définir le nombre des nœuds avec SEED EDGE: BY SIZE.
Figure 15
Si nous voulons faire un maillage structure on va cliquer dans la premier file le deuxième icône et ensuit nous allons voire le tableau suivant. Dans ce tableau nous allons choisir la technique STRUCTURED.
Figure 16
A continuation nous allons faire MESH PART et nous allons voir notre pièce maille.
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Figure 17
2.6 LOAD Dan cette partie nous allons définir les charges et les conditions limites.
2.7 CREATE JOB Nous allons lancer le calcul avec SUBMIT et une fois qu’il dit qu’est COMPLETED nous allons analyser les résultats.
Figure 18
2.8 CRITERE TSAI-HILL En matériaux composites on utilise le critère de TSAI-HILL pour savoir si la pièce se casse ou no. Pour appliquer ce critère sur ABAQUS nous devrons activer une fonction. Pour activer cette fonction on doit aller en FIELD OUTPUT REQUEST. Ici on doit faire click droit et aller en manager.
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Figure 19
Figure 20
Une fois que nous sommes en field output manager nous allons faire EDIT, et nous allons voir le tableau de la figure 21.
Figure 21
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Dans ce tableau nous allons activer CFAILURE, FAILURE MESSURE COMPONENTS. On a déjà activé le paramètre que nous avons besoin pour après analyser la cassure de notre pièce.
2.9 RESULTATS Le résultat qui va nous intéresser il va être le TSAI HILL failure mesure. Grace a cette fonction nous allons analyser si il se casse ou no. La pièce il va se casser si le critère de TSAI HILL donne une valeur égal ou supérieure à 1. Pour voir plus facilement il est =/> 1 nous allons définir les paramètres suivantes en OPTIONS CONTOUR.
Figure 22
La valeur maximum nous allons choisir SPECIFY et nous allons donner une valeur de 1.
Figure 23
Ensuite nous allons choisir UNE SPECTRUM MIN/MAX.
Figure 24
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Une fois que nous avons défini ces paramètres nous allons analyser les résultats. On va commencer a analyser pour quelle charge il va se casser. Pour ça nous allons faire QUERY, PROBE VALUES. A continuation nous allons clique sur FIELD OUTPUT et un nouveau tableau va apparaitre. Dans ce tableau nous allons choisir TSAI-HILL FAILURE MESURE AT INTEGRATION POINTS.
Figure 25
Pour voir dans quelle step il se casse nous allons commencer en step 0 et nous allons monter step par step jusqu’a il commence à apparaitre des zones oranges.
Figure 26
Quand on arrive au step limite où a partir de là il va commencer à se casser, on va s’arrêter et nous allons analyser ce step. Dans ce step nous allons analyser le déplacement maximal (U).
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Figure 27
Figure 28
Nous allons fini l’analyse de la pièce, nous savons pour quelle charge il va commencer à se casser et quel est la déformation pour ce charge.
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3 Résultats des solutions La planche de kitesurf est faite en matériaux composites. Le problème de cette planche est qu’il se casse toujours du même endroit. Il se casse toujours de la partie supérieure de la planche au niveau du pied. Donc, ca veut dire qu’il se casse en compression. A continuation il y a les différentes solutions analyses pour la résolution du problème. Solution 1
Solution 2
Solution 3
Solution 4
Solution 5
Solution
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Solution 7
Analyse des résultats
Figure 29
Figure 30
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Figure 31
J’ai fait différent essaies pour voir le comportement de la planche quand il a différent composition des plis. La première remarque que j’ai faite avec l’analyse de solutions 1 2 et 3 est que quand on change l’epaisseur ou l’ordre de plis on a différents résultats en déflexion. Dans les graphes on peut voir que les modèles qui supportent plus de charge sont les solutions 5 et 7. Par contre, le modèle plus souple est le 6. Le modèle 5 il peut être intéressant parce qu’il supporte beaucoup de charge et au même temps il est souple. Selon la raideur, la solution qui donne la planche plus rigide est le 7.
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4 Conclusion
Ce projet c’était très intéressant pour moi, parce que je suis très intéressé en matériaux composites et je n’avais jamais eu l’occasion de travailler avec ce type de matériaux. Grâce a ce projet j’ai me suis renseigné sur les matériaux composites. D’autre part, Je suis contant parce que j’ai utilise aussi le logiciel ABAQUS 6.8 pour la réalisation de ce projet. On avait fait un peut de ABAQUS, mais avec ce projet j’ai approfondi mes connaissances. En plus j’ai appris à faire les composites sur ce logiciel. En plus, comme le projet c’était un cas réel, une planche de kitesurf qui se casse toujours du même endroit, j’ai trouve plus passionnant. Pour conclure, je voudrais dire que ce projet c’était très intéressant pour moi et je sent que je beaucoup appris sur matériaux composites sur ABAQUS.
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