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  • Influence du procede dinjection dans la simulation

    mecanique de thermoplastiques charges en fibres de

    verre courtes

    Antoine Launay, Habibou Maitournam, Yann Marco, Ida Raoult

    To cite this version:

    Antoine Launay, Habibou Maitournam, Yann Marco, Ida Raoult. Influence du procededinjection dans la simulation mecanique de thermoplastiques charges en fibres de verre courtes.10e colloque national en calcul des structures, May 2011, Giens, France. 8 p. ; Cle USB, 2011.

    HAL Id: hal-00592881

    https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00592881

    Submitted on 3 May 2011

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  • CSMA 2011 10e Colloque National en Calcul des Structures

    9-13 mai 2011, Presqule de Giens (Var)

    Influence du procd dinjection dans la simulation mcanique de thermoplastiques chargs en fibres de verre courtes

    A. Launay1, 2, 3*, M.H. Maitournam1, Y. Marco2, I. Raoult3 1. Laboratoire de Mcanique des Solides (CNRS UMR 7649), cole polytechnique, 91128 Palaiseau, France

    2. Laboratoire Brestois de Mcanique et des Systmes, ENSTA Bretagne, 2 rue Franois Verny, 29806 Brest Cedex 9, France

    3. PSA Peugeot Citron, Direction Scientifique et des Technologies Futures, Route de Gisy, 78943 Vlizy-Villacoublay, France

    Rsum Les thermoplastiques renforcs en fibres de verre courtes prsentent un comportement mcanique fortement non-linaire lorsquils sont soumis des chargements cycliques, sous diffrentes conditions hygrothermiques. Une loi de comportement phnomnologique est propose de faon dcrire diffrents mcanismes physiques, tells que la viscolasticit, la viscoplasticit, lcrouissage ou ladoucissement cyclique. La microstructure anisotrope, consquence de la mise en forme par injection, est prise en compte dans le modle par lintermdiaire de tenseurs dorientation.

    Mots clefs Modlisation, moulage par injection, distribution dorientation de fibres

    1 Introduction

    1.1 Contexte industriel et objectifs

    Dans loptique dune rduction des missions de CO2, lindustrie automobile utilise de plus en plus de matriaux plastiques, de faon tirer partie de leur faible masse ainsi que des possibilits de mise en forme complexe (intgration de fonctions, raidisseurs). Les composites matrice polymre et particulirement les thermoplastiques renforcs en fibres de verre courtes ont une rigidit spcifique suffisante pour des applications sur le circuit dadmission en air (rpartiteur dair ladmission, raccord de sortie du turbocompresseur) voire mme pour des applications structurales (biellette anti-couple). En outre, le moulage par injection des thermoplastiques fibres courtes est compatible avec les cadences de production leves et les cots modrs requis dans lindustrie automobile.

    Les pices automobiles du circuit dadmission en air sont soumises des chargements mcaniques cycliques (pression pulse) dans des conditions environnementales variables (temprature T, taux dhumidit RH). Ces composants doivent donc tre dimensionns la fatigue, et la premire tape de conception dans cette optique est lutilisation dune loi de comportement capable de dcrire le comportement mcanique cyclique (potentiellement complexe) sur une large plage de conditions hygrothermiques

    La description du comportement mcanique cyclique des thermoplastiques charges en fibres de verre courtes est une tche ardue qui soulve de nombreuses difficults. En premier lieu, la mise en forme par injection rsulte en une microstructure locale complexe pour le composite. Les fibres de verre de sont pas ncessairement distribues de faon homogne dans le polymre, et peuvent former des amas. Leur tat dorientation dpend fortement du flux dinjection, ce qui se traduit par des proprits mcaniques variable suivant le point considr dans la structure, et mme selon lpaisseur en un point donn (htrognit spatiale). Ces proprits dpendent galement fortement de la direction considre, puisque les fibres ne sont en gnral pas distribues de faon alatoire (anisotropie). Du point de vue mcanique, le comportement fortement non-linaire de la matrice polymre implique dautres difficults. En effet, pour tre reprsentatif des chargements rels vus par une pice lors de sa vie en service, les signaux deffort doivent inclure des phases de relaxation ou de

  • recouvrance, ainsi que des couplages fatigue-fluage. Si lon considre quil nexiste pas lheure actuelle dans la littrature de critre de fatigue qui soit communment accept pour ce matriau, cela signifie quune loi de comportement doit tre -mme de prdire avec prcision diffrentes quantits physiques : les amplitudes de contrainte ou de dformation bien sr, mais aussi lnergie dissipe, la plasticit cumule, la perte de raideur, etc. Enfin, la temprature ainsi que le taux dhumidit ambiant (particulirement dans le cas des polyamides) influencent fortement les proprits mcaniques de la matrice thermoplastique, et donc du composite. Les composants industriels sont soumis une plage de conditions hygrothermiques (environnement proche du moteur, variations climatiques), ce qui explique pourquoi la loi de comportement cyclique doit tre valide en-de et au-del de la temprature de transition vitreuse [9].

    Une approche phnomnologique a t retenue pour modliser le comportement cyclique des thermoplastiques renforcs en fibres courtes. En effet, les mthodes de transition dchelle, bien que prometteuses puisque capable de rendre compte des micro-mcanismes physiques au sein du matriau htrogne, et trs prsentes dans la littrature [6, 12, 15], ne sont aujourdhui pas compatibles avec des calculs numriques sur des structures industrielles complexes, avec des lois de comportement fortement non-linaires et sous des chargements cycliques. Lobjet de cet article est de prsenter une faon de modliser les aspects anisotropes du comportement mcanique, consquence de la distribution dorientation des fibres, dans le cadre des quations de comportement non-linaire proposes par les auteurs [10].

    1.2 Outils numriques pour le calcul de structures

    La chane de calcul numrique permettant de raliser une simulation numrique fiable du comportement mcanique dune structure comporte plusieurs maillons. La premire tape consiste simuler le processus dinjection ( laide dun logiciel comme MoldFlow par exemple), de faon quantifier la distribution dorientation de fibres (DOF) sur la structure. Plus prcisment, la distribution complte nest pas calcule, mais seulement ses moments dordre 2 et 4. Ces grandeurs sont appels tenseurs dorientation dordre 2 et dordre 4, et sont nots et A. Le tenseur dorientation dordre 4 A rsulte dune interpolation fonde sur le seul tenseur dordre 2 , appele quation de fermeture.

    Dans le cas gnral, les maillages pour la simulation dinjection et pour le calcul de structure sont diffrents. Une interpolation des tenseurs dorientation sur le maillage mcanique est donc ncessaire, ce qui peut tre ralis laide dun logiciel de mapping, comme Digimat-MAP.

    Enfin, lintgration numrique des quations dvolution non-linaires dans un logiciel de calcul par lments finis implique le dveloppement dune routine utilisateur, appele UMAT lorsque lon travaille avec Abaqus. Cette routine prend comme paramtre dentre au calcul la valeur du tenseur dorientation au point de Gauss courant (connu grce ltape de mapping), de faon tenir compte de lanisotropie matrielle lors du calcul mcanique.

    2 Equations du comportement cyclique

    2.1 Mcanismes physiques et comportement non-linaire

    Une importante champagne exprimentale a t ralise sur des prouvettes de traction ISO527-2-1A, ralises par injection de Zytel 70G35 HSLX (polyamide 66 contenant 35% de fibres de verre courtes en masse), fournies par DuPont de Nemours. Lanalyse mcanique a permis de mettre en vidence diffrents mcanismes physique ; viscolasticit diffrentes chelles de temps, viscoplasticit, crouissage cinmatique non-linaire et adoucissement cyclique [9]. Un modle de

    aa

  • comportement a t propos par les auteurs, pour lequel la dformation totale est partage en contributions lastique, viscolastique long et court terme et viscoplastique :

    La contrainte est relie la dformation lastique via un tenseur de rigidit dordre 4:

    La contrainte quivalente viscoplastique fait intervenir la force thermodynamique associe la variable dcrouissage (aussi appele contrainte de rappel) :

    o P est un tenseur dordre 4 similaire la formulation de Hill [8]. Dans le cas isotrope, Ce scrit partir de 2 paramtres uniquement (par exemple E and ), and P vaut 1.5K, ce qui signifie que Jvp est simplement la contrainte quivalent de von Mises. On utilise ici la dcomposition classique I = J + K du tenseur identit dordre 4 en projecteurs sur les parties sphrique J et dviatorique K. Le taux de dformation viscoplastique dpend de vp suivant une loi dcoulement sans seuil explicite semblable

    celle propose par Delobelle et al. [5]:

    Enfin, lvolution de la contrainte de rappel suit une loi de type Armstrong-Frederick avec les paramtres C and :

    Les paramtres matriau ont t identifis pour diffrentes conditions hygrothermiques. La figure 1 illustre le caractre prdictif du modle de comportement en ce qui concerne les mcanismes non-linaires voqus ci-dessus.

    X

    FIG. 1 C

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