modélisation numérique du procédé de tissage de renforts fibreux pour matériaux composites

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Comptes Rendus des JNC 18 - ÉCOLE CENTRALE NANTES - 12, 13, 14 juin 2013 1 Modélisation numérique du procédé de tissage des renforts fibreux pour matériaux composites Numerical modelling of the weaving process for textile composite Jérôme Vilfayeau 1,2 , David Crepin 1,3 , François Boussu 1,3 , Damien Soulat 1,3 , Philippe Boisse 2 1 : Ensait, Gemtex, F-59100 Roubaix, France e-mail : [email protected], [email protected], franç[email protected], [email protected] 2 : Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Solides, UMR CNRS 5514, INSA de Lyon Bâtiment Jacquard, Rue Jean Capelle, 69621 Villeurbanne Cedex, France e-mail : [email protected] 3 : Univ. Lille Nord de France, F-59000 Lille, France Résumé Afin de développer les structures textiles 3D en tant que renforts de matériaux composites notamment en aéronautique, une bonne prédiction de la géométrie et des propriétés mécaniques de la cellule élémentaire tissée sont nécessaires. L'obtention de géométries réalistes pour ces cellules élémentaires de tissus est particulièrement délicate en raison notamment de la complexité des architectures. En particulier, les outils existants qui discrétisent à une échelle mésoscopique, l'architecture des tissus 3D, ne tiennent pas compte de l'influence du procédé de fabrication sur la constitution de la structure textile. Si des outils numériques dédiés à la modélisation du procédé de tressage et de tricotage sont disponibles, il n'en est rien concernant le tissage. Au cours du processus de fabrication, les mèches sont soumises à des déformations importantes dues aux contraintes qu’exercent certains éléments de la machine à tisser ou provenant du frottement entre les mèches. Ces déformations importantes conduisent notamment à des modifications de formes de section de mèches, ou de densités locales qui vont modifier la résistance mécanique du tissu. Le modèle numérique présenté permet de prédire ces déformations importantes, grâce à une modélisation par éléments finis, et leurs influences sur la géométrie de l'architecture textile. Abstract A good prediction of geometry and of the mechanical properties of the unit cell is necessary to develop 3D reinforcements in composite materials for aeronautical applications. There is a difficulty to get realistic geometries for these unit cells because of the complexity of these architectures. We can observe that existing tool which model 3D fabric at a meso scale, don't take into account manufacturing process influence on the shape modification of the textile structure. There is already some numerical tools that can model braiding process or knitting process, but it seems that no one exist for weaving yet. During the weaving process, we can observe that important deformations lead to modification of transverse section of meshes, or local density changes that will modify fabric mechanical resistance. That is why a numerical tool of the weaving process, based on finite element modelling, could predict these major deformations and their influences on the final textile structure. A good correlation between numerical results and fabrics produced with glass fibres has already been achieved. Mots Clés : Modélisation numérique, tissage 3D, renforts textiles, matériaux composites. Keywords : Numerical modelling, 3D weaving process, textiles composites, composite materials. 1. Introduction La sophistication des architectures des structures fibreuses utilisées comme renforts de composites dans les applications structurales, majoritairement en aéronautique, fait que beaucoup de travaux numériques sont menés à l’échelle des cellules élémentaires [1, 2, 3, 4-6, 7, 8, 9], et notamment pour les préformes 3D tissés, ou tressées. Ces travaux sont essentiels, car menés en 3D volumique pour avoir une description précise de l’architecture fibreuse, ils permettent, par calculs éléments finis, de déduire un comportement équivalent à l’échelle de ce VER, soit avec résine en g énéral par homogénéisation, mais également pour les travaux de modélisation du comportement des préformes sèches [2, 4, 5]. Par contre, de nombreux travaux ont montré des écarts entre les rigidités obtenues

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Comptes Rendus des JNC 18 - ÉCOLE CENTRALE NANTES - 12, 13, 14 juin 2013

1

Modélisation numérique du procédé de tissage des renforts fibreux pour matériaux

composites

Numerical modelling of the weaving process for textile composite

Jérôme Vilfayeau

1,2, David Crepin

1,3, François Boussu

1,3, Damien Soulat

1,3, Philippe Boisse

2

1 : Ensait, Gemtex, F-59100 Roubaix, France

e-mail : [email protected], [email protected], franç[email protected], [email protected]

2 : Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Solides, UMR CNRS 5514, INSA de Lyon Bâtiment Jacquard, Rue Jean Capelle, 69621

Villeurbanne Cedex, France

e-mail : [email protected]

3 : Univ. Lille Nord de France, F-59000 Lille, France

Résumé

Afin de développer les structures textiles 3D en tant que renforts de matériaux composites notamment en aéronautique,

une bonne prédiction de la géométrie et des propriétés mécaniques de la cellule élémentaire tissée sont nécessaires.

L'obtention de géométries réalistes pour ces cellules élémentaires de tissus est particulièrement délicate en raison

notamment de la complexité des architectures. En particulier, les outils existants qui discrétisent à une échelle

mésoscopique, l'architecture des tissus 3D, ne tiennent pas compte de l'influence du procédé de fabrication sur la

constitution de la structure textile. Si des outils numériques dédiés à la modélisation du procédé de tressage et de

tricotage sont disponibles, il n'en est rien concernant le tissage. Au cours du processus de fabrication, les mèches sont

soumises à des déformations importantes dues aux contraintes qu’exercent certains éléments de la machine à tisser ou

provenant du frottement entre les mèches. Ces déformations importantes conduisent notamment à des modifications de

formes de section de mèches, ou de densités locales qui vont modifier la résistance mécanique du tissu. Le modèle numérique présenté permet de prédire ces déformations importantes, grâce à une modélisation par éléments finis, et

leurs influences sur la géométrie de l'architecture textile.

Abstract

A good prediction of geometry and of the mechanical properties of the unit cell is necessary to develop 3D

reinforcements in composite materials for aeronautical applications. There is a difficulty to get realistic geometries for these unit cells because of the complexity of these architectures. We can observe that existing tool which model 3D

fabric at a meso scale, don't take into account manufacturing process influence on the shape modification of the textile

structure. There is already some numerical tools that can model braiding process or knitting process, but it seems that no

one exist for weaving yet. During the weaving process, we can observe that important deformations lead to modification

of transverse section of meshes, or local density changes that will modify fabric mechanical resistance. That is why a

numerical tool of the weaving process, based on finite element modelling, could predict these major deformations and

their influences on the final textile structure. A good correlation between numerical results and fabrics produced with

glass fibres has already been achieved.

Mots Clés : Modélisation numérique, tissage 3D, renforts textiles, matériaux composites. Keywords : Numerical modelling, 3D weaving process, textiles composites, composite materials.

1. Introduction

La sophistication des architectures des structures fibreuses utilisées comme renforts de composites

dans les applications structurales, majoritairement en aéronautique, fait que beaucoup de travaux

numériques sont menés à l’échelle des cellules élémentaires [1, 2, 3, 4-6, 7, 8, 9], et notamment

pour les préformes 3D tissés, ou tressées. Ces travaux sont essentiels, car menés en 3D volumique

pour avoir une description précise de l’architecture fibreuse, ils permettent, par calculs éléments

finis, de déduire un comportement équivalent à l’échelle de ce VER, soit avec résine en général par

homogénéisation, mais également pour les travaux de modélisation du comportement des préformes

sèches [2, 4, 5]. Par contre, de nombreux travaux ont montré des écarts entre les rigidités obtenues

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par calcul du comportement équivalent et des essais réalisés sur des échantillons résinés, écarts qui

peuvent atteindre 30% [10-12]. Ces écarts sont essentiellement dues aux descriptions géométriques

de ces cellules élémentaires à partir desquelles les maillages éléments finis sont réalisés, les

paramètres intervenant dans ces descriptions sont entre autres les trajectoires des mèches dans la

cellule élémentaire issues des entrelacements (en fonction des armures) et, le choix des sections

transverses des mèches (forme, Aspect ratio) [13, 14, 15]. Ces paramètres influent à l’échelle des

VER sur les orientations des renforts, leur densité linéique, mais également sur la densité globale

(fraction volumique). L’influence de la densité de renforts sur le calcul du comportement

mécanique homogénéisé est évidente, mais une mauvaise description de la position des renforts,

influe sur les directions matérielles et par conséquent sur les repères d’orthotropie à l’échelle du

VER. Par ailleurs, un mauvais positionnement des mèches entre elles, conduit lorsque la cellule

élémentaire de la préforme sèche est sollicitée (en traction bi axiale, en cisaillement plan, etc.… ) à

des problèmes de pénétration entre les mèches, lors de la prise en compte du contact, et par

conséquent à des modèles incohérents [20, 21]. Pour raffiner la description géométrique de leurs

modèles de nombreux auteurs s’appuient sur le seul paramètre du choix des sections transverses de

mèches en s’appuyant sur des tomographies 3D de renforts résinés [4, 13]. Citons dans ces travaux

pour décrire de plus en plus précisément la mèche dans les renforts tissés, les modèles par éléments

finis qui permettent de prendre en compte les déformations transverses en compaction, lorsque la

cellule élémentaire est sollicitée, et où chaque mèche est décrite par des éléments de poutres 3D

volumique [22].

En parallèle de l’utilisation de la tomographie, notons le développement de logiciels géométr iques

(Texgen, WiseTex, …) permettant la génération de ces cellules élémentaires [17-19]. L’outil

logiciel WiseTex contient un préprocesseur qui utilise le principe de minimum énergie pour calculer

la trajectoire des mèches et la forme des sections transverse [8, 11, 15, 16]. Dans WiseTex la forme

de la section transverse est considérée comme constante, bien que ses dimensions soient autorisées

à varier [16]. Dans TexGen, les trajectoires des fils sont définies par des splines qui passent par des

groupes de nœuds. Sherburn et al. ont proposé un outil qui génère des modèles de tissu dans

TexGen, et qui est compatible avec un logiciel de modélisation par éléments finis [13]. Cependant,

cette méthode utilise une procédure où l’architecture est projetée sur un seul plan. Ce n’est donc pas

applicable avec des architectures qui ont des fils avec une ondulation en dehors du plan, comme

pour les tissus interlock 3D [13].

Toutes ces approches décrivent la complexité de la structure fibreuse mais après le procédé de

tissage. Or lors de cette étape qui permet de générer cette architecture les mèches sont assujetties à

de nombreuses sollicitations qui modifient leurs positions, leurs orientations mais également leurs

propriétés transverses. Contrairement aux travaux menés dans le cadre du tressage [23], ou du

tricotage [24], peu d’outils numériques portent sur la simulation des mécanismes de déformation

lors du procédé de tissage. Dans le cadre du programme de recherche Numtiss, support de cette

étude, l’objectif est de développer cet outil de simulation, et notamment lors des étapes les plus

agressives pour les mèches. Ce travail est développé numériquement, et est associé à des

développements expérimentaux de production de renforts sur la machine à tisser disponible au

laboratoire GEMTEX. Les déformations dans les échantillons produits, mesurées après résinage, et

coupes dans les sections transverses peuvent ainsi être comparées aux résultats obtenus par

simulation numérique.

2 Principe de base de la cinématique du procédé de tissage

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Fig. 1. (a) Schéma de la zone de formation du tissu sur un métier à tisser simplifié ;(b) Ouverture de la foule ; (c)

Insertion du fil de trame ; (d) Tassage du fil de trame.

Le tissage de deux fils orthogonaux, respectivement la chaîne et la trame, se réalise dans une zone

précise du métier où la foule va s’ouvrir, le fil de trame va être inséré et le peigne se rabattra.

La cinématique de la zone de formation du tissu (cf. Fig.1) peut être décrite par ces trois grandes

étapes :

Étape 1 : Sélection de chaque lisses impliquant un mouvement des fils de trame dans deux positions

(haut et bas) (cf. Fig. 1 (b)). L’angle obtenu entre ces deux nappes de fil de trame donne la valeur de

la foule.

Étape 2 : Insertion du fil de trame à l’intérieur de la foule (cf. Fig. 1 (c)).

SHED

Weave forming zone

(a) (b)

(c)

(d)

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Étape 3 : Tassage du fil de trame contre le tissu déjà formé (point de façure), grâce à l’action du

peigne (cf. Fig. 1 (d)).

La prise en compte des trois étapes principales inscrites dans le cycle d'ouverture de la foule

pendant le tissage, permet d'avoir une vision plus large des différents éléments en mouvement ou en

contact avec les fils de chaîne et trame. L'outil de simulation proposé aura pour but de reproduire

ces principales étapes de production dans le but de simuler le

comportement complet des fils de chaîne et trame pendant le

tissage.

3 Méthode pour la Simulation numérique (MEF)

3.1 Remarques générales

Comme le procédé est un problème avec une dépendance du temps, les simulations ont été menées

avec le solveur explicite du logiciel industriel Radioss [Ref]. Un des objectifs prévus du modèle

numérique développé est de simuler l’entrelacement des mèches lors du procédé de tissage. Par la

volonté de contrôler le temps de calcul, seul le peigne est modélisé par une plaque rigide. Le

mouvement des lisses est retranscrit grâce à des contraintes cinématiques imposées aux mèches.

3.2 Description du modèle numérique

Fig. 2. (a) Configuration cinématique pour produire un tissu 2D toile ; (b) Configuration de la zone d’entrelacement

chaîne et trame ; (c) Maillage de la section du fil avec des éléments solides.

E11 (Mpa) E22,E33

(Mpa)

G23, G31

(Mpa)

G12 (Mpa) v12, ν13 v23

52500 [4] 0.6 250 200 0 [26] 0.99

Table 1. Loi de comportement matériau du verre E utilisée dans la simulation numérique du tissu toile.

Mise en donnée du fil : Les fils sont considérés déformables, et sont représentés avec une loi de

comportement élastique et isotrope transverse (cf. Table 1). Pour le maillage des fils, des éléments

hexaédriques 8 nœuds ont été utilisés (cf. Fig. 2 (c)). La loi matériau du fil de verre E a été utilisée.

Le frottement entre les mèches est décrit par une loi de coulomb avec un coefficient de frottement

(a)

(b)

(c)

Reed

Weft

Heddles

Reed Weave forming zone

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égal à 0,3. Le fil a une section circulaire avant le procédé de tissage (Fig. 2 (c)), à cause d’une

torsion initiale qui lui est appliquée.

Mise en donnée du peigne : Le peigne est modélisé par une plaque en acier composé de 4 éléments

quadrilatéraux, auquel un déplacement horizontal est imposé (cf. Fig. 2 (b)).

Mise en donnée du contact : Les contacts entre les fils de chaîne et trame sont considérés comme

étant des contacts entre des surfaces déformables, et le contact entre le peigne et le fil de trame est

représenté comme un contact entre une surface maître (peigne) et des nœuds esclaves (trame) [25].

Conditions limites : Le déplacement des fils de chaîne est

imposé par la simulation du mouvement vertical des lisses

(cf. Fig. 2 (a)). Les fils de trame sont contraints à un

mouvement horizontal libre. La tension qui a lieu dans un fil de

trame lors du tissage est modélisée en fixant les fils de trame à

leurs extrémités. Le point de façure (dernière trame insérée

dans le tissu déjà formé) est modélisé par une plaque rigide

qui peut arrêter la dernière trame insérée quand le peigne

se rabat.

Il a été décidé de réaliser une accélération de la

cinématique du tissage pour pouvoir diminuer le temps de calcul. Le cycle de tissage qui dure 600

ms pour une vitesse de tissage de 100 cp/min, a été accéléré à 1,6 ms pour notre modèle. Modéliser

la cinématique à une vitesse plus rapide n’est pas un problème pour le moment, car la loi de

comportement du matériau est indépendante des vitesses de déformation dans le cadre d’un calcul

explicite. Le temps de calcul est d’environ 24 h avec une station de 16 CPUs, pour modéliser un

tissu toile avec 8 fils de chaîne et 4 fils de trame.

4 Résultats pour la simulation d’un tissu toile à base de fils de verre E

(a) (b)

Fig. 3. (a) Modèle numérique d'un tissu toile (300 Tex) ; (b) Photographie d’un tissu toile en verre (300 Tex).

B-B A-A

B

B

A

A

Warp direction

Weft direction

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Fig. 4 (a), (b), (c), (d) Coupes dans le sens des fils de trame d’un tissu toile réel, respectivement plan A-A, plan A-

A+0.5mm, plan A-A+1 mm, plan A-A +1.5 mm ; (e),(f),(g),(h) Coupe dans le sens des fils de trame d’un tissu modélisé plan A-A, plan A-A+0.5mm, plan A-A+1 mm, plan A-A +1.5 mm.

La Fig. 3 représente la simulation numérique de la cellule élémentaire d’un tissu toile incluant 8 fils

de chaîne et 4 fils de trame. La modélisation du tissu avec 8 fils de chaîne et 4 fils de trame était un

bon compromis entre un temps de calcul raisonnable et une bonne représentation des effets de bord

ayant lieu au cours du tassement du fil de trame par le peigne.

(a) (e)

(b) (f)

(c) (g)

(d) (h)

1.1 mm

1.2 mm

1.1 mm

1.2 mm

1.2 mm

(a) (e)

(b) (f)

0.3

7 m

m

0.9 mm

0.2

8 m

m

1.2 mm 1.1 mm

0.2

mm

0.2

2 m

m

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Fig. 5. (a), (b), (c), (d) Coupes dans le sens des fils de chaîne d’un tissu toile réel, respectivement plan B-B, plan B-

B+0.5mm, plan B-B+1 mm, plan B-B +1.5 mm ; (e),(f),(g),(h) Coupe dans le sens des fils de chaîne d’un tissu modélisé

plan B-B, plan B-B+0.5mm, plan A+1 mm, plan A +1.5 mm.

Les figures 4 et 5 montrent une bonne corrélation entre les images en coupe des tissus d'armure toile

expérimentaux à base de fils de verre E et les images en coupe du modèle numérique de la simulation de ces

mêmes tissus. Les comparaisons ont été faites dans différents plan de coupe en chaîne et trame (décalage de 0,5

mm entre chaque plan de coupe). Par exemple, la figure 5 (a) et (e) représente une coupe qui passe au centre du

fil de trame, et la figure 5 (b) et (f) une coupe qui passe entre deux fils de trame. Les images de la figure 5

montrent la bonne déformation de la section du fil de chaîne, qui était circulaire initialement (cf.

Fig. 2 (c)), dans le tissu réel et le tissu modélisé. On constate par ailleurs que cette déformation est

plus importante pour le fil de chaîne que pour le fil de trame dans le modèle numérique, avec un

écart de 0,1 mm (cf. Fig. 4 et Fig. 5). Il y a plusieurs raisons qui peuvent expliquer cette différence :

tout d’abord le fait que les fils de trame sont justes bloqués à leurs extrémités et ne subissent pas de

tension préalable, alors que les fils de chaîne sont bloqués au niveau du point de façure et subissent

une légère tension due aux déplacements des nœuds selon z, représentant le mouvement des lisses,

qui leurs sont imposés. Par ailleurs, il serait intéressant de rajouter plus de trames dans le modèle,

car les premières trames insérées ne peuvent pas donner une bonne représentation de la déformation

du fil, à cause de l’effet de bord dû aux pincements des fils de chaîne au niveau du point de façure

notamment.

Conclusion

Un modèle numérique (MEF) a été réalisé pour décrire les phénomènes de déformation du fil qui

apparaissent au cours du tissage d’un tissu d'armure toile à base de fils de verre E, avec une section

circulaire de 300 Tex. Les résultats de la simulation du tissage avec une loi de comportement

isotrope transverse du fil de verre ont été présentés, et mis en comparaison avec des images de

tissus en coupe chaîne et trame résinés. Une bonne corrélation a pu être établie entre les images des

tissus résinés et les images de la simulation numérique dans différents plans du tissu.

Des résultats pour la simulation de tissus d'amure satin de 8 et croisé 2-2 à base de fils de verre E

seront présentés prochainement, ainsi que pour des structures interlocks. Enfin, des tomographies

des structures 2D et 3D produites à base de fils de verre E, permettront d’effectuer une comparaison

plus précise avec les tissus simulés numériquement par éléments finis.

Remerciements

Ce travail est financé dans le cadre du programme de recherche N°ANR-09-MAPR-0018-01.

Références

1.2 mm

1.1 mm

(d) (h)

(c) (g)

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