Intégration des contraintes d’industrialisation des pièces en matériaux composites pour l’aide à la décision en conception préliminaire appliquée au procédé RTM

Serge Mouton

Description

Sous la direction de Patrick Sebastian, Denis Teissandier
Thèse soutenue le 21 mai 2010: Bordeaux 1
L’intégration des contraintes d’industrialisation, des pièces en matériaux composites, en conception préliminaire, est un enjeu majeur de la compétitivité des entreprises, et s’inscrit dans une démarche de développement durable. Un travail de captation et de mise en forme de la connaissance industrielle a permis de développer une stratégie d’optimisation. Cette stratégie repose sur une approche multi-métiers, elle permet d’estimer la performance technique et économique d’une solution d’industrialisation. L’estimation de la performance est basée sur l’évaluation, pour chaque solution d’industrialisation, du risque de rupture du composant assemblé, du niveau d’intégration fonctionnelle et du coût de fabrication. La définition de la meilleure alternative est obtenue par la comparaison de la performance de solutions et s’appuie sur des méthodes et outils d’aide à la décision. Le risque de rupture est estimé à partir des écarts entre des caractéristiques de la pièce fabriquée par procédé Resin Transfer Molding (RTM) et les caractéristiques nominales. Les caractéristiques de la pièce fabriquée prises en compte sont : - les écarts géométriques, - les écarts de caractéristiques mécaniques. Dans l’industrie aéronautique, certaines pièces de structure en matériaux composites sont réalisées par le procédé RTM. Dans ce type de mise en forme, les caractéristiques mécaniques du composant sont directement liées au niveau d’imprégnation de la préforme. Dans le travail de thèse, les défauts d’imprégnation sont identifiés comme des écarts volumiques d’imprégnation. Ces écarts ont pour conséquence d’altérer les propriétés mécaniques du matériau qui constitue la pièce. L’estimation des écarts volumiques d’imprégnation est obtenue à partir de l’analyse des résultats de la simulation par éléments finis de l’écoulement de résine dans le renfort fibreux (logiciel Pam RTM®). La géométrie de la pièce obtenue par procédé RTM diffère de la géométrie nominale, cet écart est due en partie aux différences entre les caractéristiques physiques des constituants du matériau composite. Les variations géométriques de la pièce fabriquée sont identifiées comme des écarts géométriques de fabrication. Les écarts géométriques sont compensés, lors de la phase d’assemblage, par des déformations garantissant les contacts avec les pièces adjacentes. Ces déformations génèrent un état de contraintes mécaniques au sein de la pièce. La quantification de l’état de contraintes mécaniques est obtenue à partir d’une simulation thermomécanique par éléments finis réalisée par le logiciel Samcef®. L’aide à la décision est basée sur l’étude combinée de l’état de contraintes mécaniques due à la compensation des écarts géométriques et de l’incidence des écarts volumiques d’imprégnation sur les propriétés mécaniques de la pièce. Trois critères permettent d’estimer le risque de rupture du composant assemblé : un critère de rupture des matériaux composites quantifie le risque de rupture, les deux autres critères, prenant en compte les défauts d’imprégnation, majorent le risque de rupture. Afin de faciliter l’interprétation des résultats et la phase de comparaison de solutions, le risque de rupture est présenté sous forme d’une cartographie. En fonction des couplages des valeurs des critères, une optimisation de la conception et/ou de l’industrialisation est proposée. Une évaluation du niveau d’intégration fonctionnelle ainsi que du coût de fabrication complète la démarche d’aide à la décision.
-Conception préliminaire
-Simulations éléments finis
-Optimisation
-Assemblage
-Matériaux composites
-Resin transfer molding
Integrating industrialization constraints of composite materials into preliminary design is a major challenge for companies in terms of competitiveness, and is part of a sustainable development approach. Work on capturing and formatting industry knowledge has helped develop a design optimization strategy. This strategy is based on multidisciplinary rules, and estimates the technical and economic performance of an industrialization solution. This estimate is based on the evaluation of failure risk of component assembly, level of functional integration and manufacturing cost. The definition of the best alternative is obtained by comparing solution performances, relying on decision support methods and tools. The failure risk is estimated from differences between the characteristics of the part manufactured by Resin Transfer Molding Process (RTM) and the nominal part (CAD). The following characteristics of the manufactured part are taken into account: ? - geometric deviations, ? - characteristic mechanical deviations. In the aviation industry, some structural composite parts are manufacture by RTM. In this type of manufacture, the mechanical properties of the component are directly related to the level of preform impregnation. In this thesis, the impregnation defects are identified as volumic impregnation deviations. These deviations have the effect of altering the mechanical properties of material. Estimated volume impregnation deviations are obtained by analysing the results of the finite element simulation of resin flow into the fibrous reinforcement (software Pam RTM ®). The part geometry obtained using the RTM process differs from the nominal geometry, with the deviation due partly to differences between the physical components of the composite material. The geometric variations in the manufactured part are identified as geometric manufacturing deviations. These geometric deviations are offset, in the assembly phase, by deformations due to contact with adjacent parts, which generate a state of mechanical stress within the part. The mechanical stress state is quantified from a finite element thermomechanical simulation carried out using the Samcef ® software. Decision support is based on the combined study of the state of mechanical stress due to the compensation of geometric deviations and the incidence of volume impregnation deviations on the mechanical properties of the part. Three criteria are used to estimate the failure risk of the assembled component: a composite materials failure criterion quantifies failure risk; the other two criteria, taking into account the impregnation defects, increase the failure risk. To facilitate interpretation of results and the solution comparison phase, the failure risk is represented by mapping. Depending on the coupling values of the criteria, optimizing the design and/or industrialization is proposed. An evaluation of the level of functional integration and manufacturing cost complete the decision support process.
-Preliminary design
-Resin transfer molding
-Finite element simulations
-Optimization
-Composite materials
-Assembly
-Design for manufacturing
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14029/document

Sujets

• Optimisation
• Assemblage
• Matériau composite
• Design for Manufacturing

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 92
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

N° d’ordre : 4029




THÈSE

présentée à

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L'INGENIEUR
Par
Serge MOUTON

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Mécanique

Intégration des contraintes d’industrialisation
des pièces en matériaux composites
pour l’aide à la décision en conception préliminaire
appliquée au procédé RTM
Directeur de recherche : Patrick SEBASTIAN

Soutenue le 21 mai 2010 après avis de :

M. Poitou Arnaud Professeur, Ecole Centrale de Nantes Rapporteur
M. Roucoules Lionel Professeur, Arts et métier ParisTech CER orteur
Aix en Provence

Devant la commission d’examen formée de :

M. Trochu François Professeur, Ecole Polytechnique de Montréal Président
M. Poitou Arnaud Professeur, Ecole centrale de Nantes Rapporteur
M. Roucoules Lionel Professeur, Arts et métier ParisTech CER Rapporteur
Aix en Provence
M. Sebastian Patrick Maitre de conférences HDR, Université Bordeaux 1 Examinateur
M. Cahuc Olivier Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur
M. Arquis Eric Professeur, ENSCPB ateur
M. Teissandier Denis Maitre de conférences, Université Bordeaux 1 Examinateur
M. Devant François Ingénieur, Dassault Aviation ateur



Université Bordeaux 1
Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement







p. 2





REMERCIEMENTS



Ce mémoire de thèse est l’aboutissement de travaux scientifiques encadrés par Patrick
Sebastian et co-encadrés par Denis Teissandier. Je tiens à les remercier pour leur appui et
leurs précieux conseils.
Je remercie également Jean Pierre Nadeau, pour son accueil au sein de son groupe de
recherche et son engagement dans l’organisation de la collaboration avec l’entreprise
Dassault Aviation, site de Biarritz.
Je tiens aussi à remercier les membres et le personnel des laboratoires Trèfle et LMP et plus
particulièrement, Alex Ballu et Jérôme Pailhès.
Je remercie Yann Ledoux pour son aide, ses conseils et son implication qui m’ont été très
précieux. Sans sa participation active, mes travaux de recherche n’auraient pas pu aboutir.
Je suis également reconnaissant envers M. François Trochu, qui a accepté de présider le jury,
M. Lionel Roucoules et M. Arnaud Poitou pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail ainsi qu’à
M. Olivier Cahuc, M. Eric Arquis et M. François Devant pour l’honneur qu’ils m’ont fait en
prenant part au jury de thèse.
Tous mes remerciements à, M. Estrades directeur de l’entreprise Dassault Aviation, site de
Biarritz, pour son accueil au sein de l’entreprise, à Cyrille Clermont qui m’a soutenu dans ma
démarche de captation de l’information, à l’Université de Bordeaux 1 qui m’a accordé trois
années de décharge de service me permettant de faire face à ce défi quotidien.
Enfin merci à Isabelle, Louise et Victor pour leur compréhension et leur soutien tout au long
de ces trois années.



p. 3

Table des matières


TABLE DES MATIERES
Chapitre 1 : Introduction
1.1 Contexte scientifique et industriel .................................................................................... 7
1.1.1 Les composites : historique, quelques chiffres .................................................................. 7
1.1.2 Nouveaux enjeux techniques et économiques ................................................................... 8
1.2 Ingénierie concourante et aide à la décision en aéronautique .............................................. 9
1.3 Modélisation pour l’aide à la décision ............................................................................ 11
1.4 Structuration du mémoire ............................................................................................... 13

Chapitre 2 : Acquisition de la connaissance
2.1 Design For Manufacturing (DFM) ................................................................................. 15
2.2 Acquisition et formalisation de la connaissance industrielle .......................................... 15
2.2.1 Classification des pièces de structure en composite ........................................................ 18
2.2.2 Démarche d’optimisation de la masse vs écarts de fabrication ....................................... 19
2.2.3 Stratégie de recherche de solutions optimisées ............................................................... 21

Chapitre 3 : Fabrication et assemblage des pièces composites
3.1 Le procédé RTM et ses déclinaisons .............................................................................. 25
3.1.1 Avantages du procédé RTM ............................................................................................ 27
3.1.2 Inconvénients et limites d’utilisation du procédé RTM .................................................. 28
3.1.3 Les phénomènes physiques mis en jeu dans la fabrication par procédé RTM ................ 29
3.1.4 Incidence du choix du procédé RTM 30
3.1.5 Ecarts de fabrication des composants fabriqués par procédé RTM ................................ 31
3.2 L’assemblage des structures en aéronautique ................................................................. 32
3.3 Fabrication d’un longeron de plan horizontal d’aéronef ................................................ 34
3.3.1 Présentation du plan horizontal d’aéronef : les longerons .............................................. 34
p. 4

Table des matières


3.3.2 Gamme industrielle de fabrication du longeron milieu ................................................... 36
3.4 Coût de fabrication des pièces RTM ............................................................................... 37
3.4.1 Modélisation du coût de fabrication des pièces de structure ........................................... 38
3.4.2 Relations pour l’estimation du coût fabrication .............................................................. 42

Chapitre 4 : Ecarts de fabrication des pièces obtenues par RTM
4.1 Description des écarts de fabrication .............................................................................. 45
4.2 Les constituants élémentaires d’une pièce en matériaux composites ............................. 47
4.2.1 Le renfort, élément de base pour la fabrication de la préforme ...................................... 48
4.2.2 La matrice ........................................................................................................................ 50
4.3 Les écarts géométriques de fabrication ........................................................................... 50
4.3.1 Le causes d’apparition d’écarts géométriques ................................................................ 50
4.3.2 Le choix des causes d’apparition d’écarts de fabrication ................................................ 53
4.3.3 Modélisation des écarts géométriques de fabrication ..................................................... 53
4.3.4 Les écarts géométriques de fabrication dans le cas du longeron ..................................... 54
4.4 Les écarts volumiques d’imprégnation ........................................................................... 58
4.4.1 Les causes d’apparition d’écarts volumiques d’imprégnation ........................................ 58
4.4.2 Le choix des causes d’apparition d’écarts volumiques d’imprégnation ......................... 63
4.4.3 Modélisation des écarts volumiques d’imprégnation ...................................................... 64
4.4.4 Les écarts volumiques d’imprégnation : cas du longeron ............................................... 66
4.5 Synthèse des causes d’apparition d’écarts de fabrication 76
4.6 Les contraintes mécaniques résiduelles à l’assemblage ................................................. 77

4.6.1 Méthodes et limites de la modélisation des l'assemblage………………………………80

Chapitre 5 : Aide à la décision
5.1 Préambule ......................................