Conception, caractérisation et modélisation de structures composites

Les recherches portent sur la tenue mécanique des matériaux composites et la conception de structures composites adaptées à des applications spécifiques, en intégrant des procédés de fabrication innovants. Elles se concentrent sur la caractérisation, la modélisation et la prévision du comportement des composites et de leurs structures. En matière de durabilité et de fiabilité, des approches multi-échelles innovantes sont adoptées, combinant théorie, expérimentation et simulation numérique. Un atout majeur la méthodologie employée réside dans la validation des modèles par des comparaisons essais-calculs à différentes échelles, jusqu'à celle de la structure complète. Les travaux s’appuient sur une forte composante expérimentale et entretiennent des liens étroits avec l’industrie et l’enseignement.

Elles s’appuient sur deux plateformes expérimentales du laboratoire : la plateforme mécanique expérimentale offrent des moyens d’essais de caractérisation mécanique des éprouvettes et des structures; la Plateforme Composite Marseille est équipée de différents procédés de mise en œuvre des composites en partant des procédés préimprégnés thermodurcissables, en passant par les procédés d’imprégnation des fibres sèches, jusqu’à la mise en forme des préimprégnés thermoplastiques thermostables et l’impression 3D de composite à fibres continues. En collaboration étroite avec des acteurs industriels tels qu’AIRBUS, SAFRAN, IDEOL, etc.  nous développons des outils d’aide à la conception et à l’exploitation des structures composites. Nos modèles et méthodologies sont conçus pour être directement applicables, avec un domaine de validité établi.
Participants permanents :  Christian HOCHARD (Prof AMU), Noel LAHELLEC (Prof AMU), Guilherme MACHADO (MCF AMU), Aurélien Maurel-Pantel (MCF AMU), Jerôme BARBAZA (PRAG AMU), Yves-Henri Grunevald (PAST)

Equipements de la Plateforme Composite Marseille pour caractériser, fabriquer et prototyper les structures composites. 

Les différentes études en cours concernent des composites à matrices Thermo-Durcissables et Thermo-Plastiques, avec des fibres discontinues et continues, injectés dans des moules, stratifiés consolidés ou imprimés sans consolidation. Les activités se décomposent en 4 sous-thèmes.

La micromécanique des composites à matrice polymère

Jusqu’à présent les méthodes d’homogénéisation développées dans l’équipe n’ont pas été utilisées pour alimenter les modèles à l’échelle mésoscopique des plis, car à température ambiante, les phénomènes modélisés sont liés à l’endommagement matriciel pour lequel il n’existe pas encore de méthode d’homogénéisation valable. Cependant, pour des températures plus importantes, le comportement de la matrice est plutôt ductile, ce qui permet d’exploiter nos compétences en homogénéisation aussi bien analytique que numérique pour décrire le comportement des plis. Deux applications présentant un intérêt industriel sont visées dans cet axe : 
(i) Estimation par des méthodes d’homogénéisation des contraintes internes induites par les procédés de mise en œuvre (chargements thermo-mécaniques).

(ii) Développement d’un modèle micromécanique numérique pour modéliser l’évolution dans le temps de la distribution des contraintes dans les renforts de plis à matrice polymère soumis à des chargements mécaniques longs et pour des températures élevées.

Gauche : Comportement thermo-viscoélastique effectif des polymères thermo-rhéologiquement simples renforcés de fibres courtes : Une application à la fabrication additive renforcée par des fibres à haute température.

Droite : Plutôt que de recourir à des essais à l’échelle microscopique (comme l'observation au MEB) pour identifier les phases d’un matériau hétérogène, une approche alternative consiste à réaliser des essais macroscopiques plus simples, puis à identifier les phases constitutives par des techniques numériques d’homogénéisation inverse.

La Propagation du délaminage en fatigue/fluage dans les composites stratifiés

Concernant ces matériaux, notre objectif est de comprendre les micro-mécanismes d’endommagement et de rupture, puis d’en quantifier les effets à l’échelle macroscopique. Cela nous permet de développer des modèles d’endommagement adaptés aux stratifiés, en accordant une attention particulière aux effets de structure. Nos recherches portent également sur l’endommagement et la tolérance aux défauts des composites, avec une attention particulière portée à l’identification des mécanismes de dégradation, ainsi qu’à la détection précoce des fissures et des délaminages. Dans certaines situations, le mécanisme de rupture majeur de structures composites stratifiés est le délaminage De nombreux travaux de recherche concernent la modélisation de l’initiation et de la propagation du délaminage pour des chargements statiques, moins pour des chargements de fatigue ou de fluage. Ces modèles sont basés sur des approches phénoménologiques qui utilisent de nombreux paramètres difficiles à identifier et souvent couplés. L’objectif de cette action de recherche est de définir les mécanismes physico-chimiques importants qui contrôlent la propagation du délaminage en fatigue et fluage afin de simplifier les modélisations. L’existence d’un principe d’équivalence temps/température sera explorée.

Analyse expérimentale et modélisation des modes de défaillance des structures composites

L’Impression 3D de composite à fibres continus

Les machines d’impression 3D de pièces composites fils de carbone continus et matrice Thermo-Plastique offrent des moyens nouveaux de conception et réalisation de prototypes ou de petites séries sans l’utilisation de moules, donc plus économiques. Cependant, comme les pièces réalisées ne peuvent pas être consolidées, les performances mécaniques sont réduites comparées aux techniques classiques. L’objectif de cette action de recherche est de définir les contraintes de conception (résistance maximale et coût minimal) qui prennent en comptes les propriétés matériaux et structures spécifiques à ce moyen de fabrication à partir d’études de cas : pale d’hydrolienne, aile de drone.

Étude expérimentale et éléments finis du champ de déformation dans un demi-anneau soumis à une compression diamétrale et à une flexion combinées. Résultats de la micro-tomographie à rayons X : (a) coupe transversale d'un filament unique du câble de fibre de carbone pré-imprégné avec une résolution de 0,80 µm/voxel avant impression ; (b) coupe transversale d'un filament unique imprimé de thermoplastique renforcé de fibres de carbone (CFTSTP) avec une résolution de 3 µm/voxel.

Design d’instruments de musique en composite (collaboration équipe SONS)

Le défi est de concevoir des instruments en matériaux composites ayant des propriétés dynamiques et acoustiques cibles. Un des enjeux est aussi de tenir compte du ressenti du musicien dans le processus de design (psychoacoustique). Ce projet s’appuie sur un partenariat avec la société SYOS pour le développement d’anches de saxophone, ainsi qu’avec un luthier pour la fabrication de guitares composites. Ces instruments « modèles », qui souffrent moins de la variabilité des matériaux naturels utilisés classiquement (bois), pourront permettre de qualifier aussi les modèles physiques utilisés pour le prototypage virtuel.

Réalisation de guitares classiques en composite avec différentes stratégies de renfort matériaux en vue d’évaluer leur efficacité.
L’objectif concerne la compréhension de l’influence des paramètres d’architecture de la structure afin d’apporter une aide objective à l’art de la lutherie.