Le groupe Cobra Europe conçoit et produit des bandes transporteuses dédiées au convoi des marchandises et, pour le cas qui nous intéresse ici, la bande est destinée à convoyer du minerai extrait de mines (Fig. 1.1). Les bandes sont fabriquées en assemblant différents éléments (fils, résines et revêtements) pour finalement se décrire schématiquement comme une structure stratifiée dont l’élément essentiel, un tissu, est protégé par des couches d’élastomères. Montée sur un convoyeur, une bande est mise en mouvement au moyen d’un tambour de commande motorisé et d’un rouleau de retour. Le minerai est déversé sur la bande du convoyeur puis acheminé à l’endroit voulu. Selon les besoins de la clientèle, le groupe Cobra Europe propose une gamme de produits variés satisfaisant à toutes les exigences relatives aux propriétés mécaniques.
Ainsi, la connaissance du produit fini est une préoccupation essentielle du groupe Cobra Europe qui souhaite assurer à ses clients une valeur de charge à rupture de la bande (avant la mise en service) ainsi que des valeurs d’allongement élastique et permanent. Pour accéder à ces caractéristiques sur le produit final le groupe Cobra Europe procède à des essais mécaniques de traction classiques et de fatigue, donc, réalise l’investissement, l’installation et l’emploi de machines de traction quasi-statique et de fatigue.
Généralités sur les matériaux composites tissés
L’accroissement des performances des structures industrielles et la nécessité d’économiser l’énergie incite fortement à l’utilisation de matériaux légers et performants. Les matériaux composites sont de bons candidats pour répondre à ces 2 exigences parfois opposées. Ils sont des matériaux dotés de caractéristiques mécaniques spécifiques élevées leur permettant de résister à des chargements complexes. Avec de meilleures propriétés spécifiques que la plupart des métaux et alliages classiques, ces matériaux offrent une bonne alternative aux industries de hautes technologies telles que l’aéronautique, l’aérospatiale et l’automobile.
Le terme « composite » est employé pour décrire un matériau hétérogène constitué d’au moins 2 phases (l’une appelée le renfort, l’autre le liant ou la matrice) de natures différentes. Le renfort assure la tenue mécanique du composite. La matrice, quant à elle, assure le rôle de lien entre les renforts qu’elle permet également de protéger face aux agressions du milieu extérieur. La conception des matériaux composites est dictée par l’application finale visée. Le choix du renfort et de son arrangement est une étape primordiale dans cette phase de conception. Sans plus de précision, la signification du terme « composite » reste vague car il englobe de très nombreuses catégories de matériaux, fonction de la nature des constituants, mais aussi de leur géométrie. Seuls les matériaux composites constitués de fibres (les renforts) noyées dans une matrice sont considérés ici.
Pour ces matériaux composites à fibres (souvent plus simplement désignés dans toute la suite par « matériaux composites »), les renforts se présentent sous forme de fibres discontinues (courtes ou longues) ou continues, alignées ou non avec une/des orientation(s) identifiée(s) impliquant ou non au matériau final une résistance mécanique élevée dans une ou plusieurs directions. On distingue ainsi 2 grandes familles de composites : les composites à fibres discontinues qui ne présentent pas de direction nettement privilégiée et les composites à fibres continues orientées dans des directions privilégiées. On désigne habituellement par composite architecturé (ou structuré), un matériau composite dont l’arrangement des constituants est contrôlé. Ainsi, en règle générale, les composites à fibres discontinues ne sont pas architecturés, tandis que ceux à fibres continues le sont. On peut, dans ce dernier cas, signaler les composites unidirectionnels qui sont constitués de fibres longues alignées suivant une direction donnée au sein d’une entité (le plus souvent plane) appelée pli ou couche dont l’empilement selon des orientations différentes par rapport à un axe donné, forme un composite stratifié. L’industrie aéronautique, par exemple, se sert de ce type de matériau pour la confection de pièces structurales ou de pièces d’aménagement intérieur des appareils.
Durant les 2 dernières décennies, les composites tissés (ou textiles) sont devenus d’un emploi courant dans les applications industrielles. Ces composites architecturés à arrangement complexe de fibres longues, apportent de nombreux avantages fonctionnels dont notamment une liberté et une facilité accrues de mise en forme. Ainsi, entre autres avantages par rapport aux composites unidirectionnels, ils enrichissent les possibilités de conception. Les composites tissés sont obtenus à partir d’un tissu (souvent qualifié de préforme tissée et généralement pré-imprégné de résine) dans lequel de la résine est injectée. Des composites tissés ont été développés pour la réalisation de fuselages et de caissons d’aile d’avion. Ces matériaux structurés sont également utilisés dans d’autres applications comme les convoyeurs à bande et les radeaux de sauvetage.
Les matériaux étudiés dans cette étude sont des composites tissés. Aussi, une description plus détaillée en est faite par la suite, en insistant notamment sur la manière d’en décrire l’architecture.
Résines
Les performances d’un matériau composite (renfort+matrice) sont très dépendantes du choix de la matrice, même si elle n’a vocation qu’à être le lien entre les renforts. Ce choix est à prendre en compte lors de la conception d’une pièce puisqu’il détermine les propriétés souhaitées pour le produit final. Les critères de choix de la matrice reposent principalement sur sa comptabilité avec les fibres, ses propriétés mécaniques et physico-chimiques ainsi que son comportement lors de la mise en œuvre. La matière formant la matrice peut être d’origine polymère ou inorganique (métallique ou céramique). Les matrices organiques peuvent être des résines thermoplastiques ou thermodurcissables. La distinction principale entre les thermoplastiques et les thermodurcissables réside dans la façon avec laquelle le polymère se construit à partir du monomère. Les thermodurcissables sont obtenus une polymérisation qui induit un pontage des macromolécules et une solidification définitive du matériau lors de son chauffage : les résines thermodurcissables sont infusibles et insolubles. Contrairement aux thermodurcissables, les thermoplastiques ne résultent pas d’une polymérisation. Lors de la mise en forme, pendant l’étape de chauffage, les macromolécules se replient puis se bloquent au cours de la solidification. Les liaisons entre macromolécules sont des liaisons faibles, faciles à ramollir par chauffage puis à durcir par refroidissement endessous de la température de transition vitreuse (température à partir de laquelle la matière passe d’un état caoutchoutique à un état solide).
Les résines thermodurcissables associées à des fibres longues comme les polyesters insaturés et les époxydes sont fréquemment utilisées. Les polyesters insaturés sont d’usage très courant dans la fabrication des grandes structures composites comme les coques de bateaux de plaisance. Les résines époxydes sont aussi répandues dans la fabrication des composites à fibres de verre ou de carbone. Elles sont destinées aux applications structurales par exemple dans les secteursde l’aéronautique et de l’automobile. Tout comme les polyesters insaturés, elles ont une bonne adhérence aux fibres et une bonne tenue en température (> 150°C). Ce type de résine reste très onéreux et très sensible aux chocs.
Alors que les résines thermodurcissables sont amorphes, les résines thermoplastiques sont des polymères amorphes ou semi-cristallins. Un renforcement à base de fibres courtes leur confère une tenue thermique et mécanique améliorée et une bonne stabilité dimensionnelle. Les principales matrices thermoplastiques utilisées dans les matériaux composites sont le polyamide (PA) et le polypropylène (PP). Les polymères thermostables (tenue en température supérieure à 200°C) en particulier le poly-éther-éther-cétone (PEEK) sont de plus en plus utilisés. Ils sont en général moins rigides que les résines thermodurcissables et leur viscosité élevée rend l’imprégnation des renforts plus difficile. Néanmoins, ils ont une résistance à l’impact supérieure à celle des thermodurcissables.
Fibres
La fibre est l’élément le plus important d’un composite à fibres. Elle est géométriquement un monofilament dont le rapport entre sa longueur et son diamètre est important. Cette spécificité entraîne généralement une forte anisotropie des propriétés mécaniques dans les directions longitudinale et transversale. Les fibres peuvent être classées selon leur nature chimique : les fibres organiques qui regroupent les fibres d’origine naturelle et celles composées de polymères synthétiques et les fibres inorganiques qui se subdivisent en fibres métalliques et naturelles. Leur structure peut être non ordonnée (amorphe) ou ordonnée (cristalline). Lors du processus d’élaboration du composite, le critère de choix des fibres porte principalement sur leurs propriétés en traction (module d’Young, contrainte à rupture…). Mais, il peut aussi porter sur leur légèreté (masse volumique, masse linéique), leur solubilité et leur inflammabilité. Généralement, les renforts utilisés dans les matériaux composites structuraux sont les fibres, les plus courantes étant les fibres de verre, de carbone et de polymère .
Les fibres de verre sont obtenues à partir d’un mélange de silice et d’additifs (alumine, carbonate de chaux, magnésie, oxyde de bore…). Le verre fondu est obtenu par fusion de ce mélange dans un four à une température voisine de 1300°C. Il est coulé ensuite dans un canal distributeur qui alimente des filières en platine. Finalement, les filaments sont étirés puis enroulés sur un tambour. Les fibres de verre sont massivement utilisées dans de nombreux secteurs d’activités. On peut citer par exemple le domaine de la construction où elles sont utilisées comme renforcement des matériaux classiques. Ces fibres présentent de nombreux avantages, mais certaines propriétés restent insuffisantes pour des structures utilisées à moyenne et haute températures. Plusieurs variétés de fibres de verre sont disponibles en fonction de leurs caractéristiques mécaniques ou physiques recherchées (diélectrique, résistance à la corrosion, haut module…). Les fibres de type E (pour un usage général) et R (haute résistance, pour un usage aérospatial, par exemple) sont les plus utilisées dans les matériaux composites.
Les fibres de carbone peuvent être réalisées par 2 techniques d’élaboration. La première utilise les fibres acryliques (PAN) auxquelles on fait subir de nombreux traitements chimiques et thermiques visant à conférer à la fibre ses propriétés intrinsèques. La seconde, plus rapide et de meilleur rendement, utilise le brai (un résidu de pétrole ou de houille) chauffé qui subit des traitements similaires à ceux effectués aux fibres acryliques. Les fibres dites haute résistance (HR) sont obtenues par une phase de carbonisation alors que les fibres dites haut module (HM) apparaissent après graphitisation. La structure d’une fibre de carbone peut être cristalline, amorphe ou semi-cristalline. La phase cristalline possède la structure du graphite. Les couches de carbone, liées par des liaisons de Van Der Waals, sont orientées parallèlement à l’axe de la fibre. Il en résulte une anisotropie des propriétés de la fibre : le module d’Young, les conductivités électrique et thermique sont plus importantes suivant l’axe de la fibre. Les fibres de carbone sont caractérisées par leur faible masse volumique et leurs bonnes propriétés mécaniques. Elles ont aussi une bonne stabilité chimique et thermique (supérieure à 3000°C sans présence d’oxygène). Cependant, les fibres de carbone ont une résistance très faible à la compression et ont tendance à s’oxyder à l’air à partir de 400°C.
Les fibres polymères sont fabriquées par filage à partir d’un polymère à l’état visqueux. Ce procédé de fabrication modifie l’alignement des macromolécules au sein des filaments, ce qui induit un module d’Young axial beaucoup plus élevé que dans la direction transversale. Les fibres d’aramide sont considérées parmi les fibres polymères synthétiques les plus utilisées. On les retrouve préférentiellement dans les objets de consommation courante (pneus, matériels de sport…) mais aussi pour des usages plus spécialisés tels que les gilets pare-balles et les coques de bateau. Les fibres d’aramide possèdent une excellente résistance à la rupture en traction et une très bonne stabilité thermique. Leurs caractéristiques médiocres en compression et leur capacité importante à reprendre l’humidité sont leurs principaux défauts. D’autres fibres thermoplastiques peuvent être utilisées comme le polyester (PET) ou le polyamide 6-6 (PA66).
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Table des matières
INTRODUCTION
I PARTIE 1 : CONTEXTE DE L’ETUDE
1 Problématique et objectifs de la thèse
1.1 Problématique industrielle
1.2 Objectifs et démarches
1.3 Organisation du manuscrit
2 Généralités sur les matériaux composites tissés
2.1 Généralités sur les matériaux composites
2.2 Résines
2.3 Fibres
2.4 Fils, mèches, torons
2.5 Les tissus pour les composites tissés
2.5.1 Tissus bidimensionnels
2.5.2 Notions de couche et de nappe
2.5.3 Tissage interlock
2.5.4 Tissus interlock tridimensionnels
2.5.5 Tissus interlock 2,5D
2.6 Les composites tissés
2.7 Nomenclature générale sur les tissus
2.7.1 Codage matriciel
2.7.2 Modélisation des interzones. Repérage de la géométrie d’un lieu sur une interzone
2.7.3 Compléments à la nomenclature générale des tissus : codage des interzones
3 Présentation des matériaux de l’étude et choix de l’échelle de travail
3.1 Description du convoyeur
3.2 Description de la bande transporteuse
3.3 Les constituants élémentaires de la bande
3.3.1 Les fibres thermoplastiques
3.3.2 L’élastomère
3.3.3 Le PVC
3.4 Des échelles d’étude de la bande
3.4.1 Cadre général
3.4.2 L’échelle structurale
3.4.3 L’échelle macroscopique
3.4.4 L’échelle mésoscopique
3.4.5 D’autres échelles
3.5 Description des matériaux à l’échelle de travail pour une approche multiéchelle
3.5.1 Justification du choix de plusieurs échelles de travail
3.5.2 L’élastomère pour l’échelle macroscopique
3.5.3 Le PVC pour les échelles macroscopique et mésoscopique
3.5.4 Les fils de chaîne et de trame pour l’échelle mésoscopique
3.5.5 Le composite tissé étudié à l’échelle mésoscopique
II PARTIE 2 : ETUDE EXPERIMENTALE
4 Caractérisation mécanique de la bande à l’échelle macroscopique
4.1 Objectifs
4.2 Essais de traction uniaxiale sur la bande
4.2.1 Procédure expérimentale
4.2.2 Courbe de traction conventionnelle
4.2.3 Etude de la dispersion expérimentale
4.2.4 Module tangent
4.2.5 Contraction transversale de la bande / cœfficient de Poisson
4.3 Essais de traction cyclique sur la bande
4.3.1 Procédure expérimentale
4.3.2 Courbe de traction cyclique conventionnelle : boucle d’hystérésis et déformation rémanente
4.3.3 Cumul et stabilisation de la déformation rémanente
4.4 Essais de traction à rupture après cyclage de la bande
4.4.1 Procédure expérimentale
4.4.2 Courbes de traction cyclique / monotone
4.4.3 Evolution de la contrainte à rupture après cyclage
4.5 Synthèse
5 Caractérisation mécanique de la bande à l’échelle mésoscopique
5.1 Objectifs
5.2 Essais de traction uniaxiale sur les fils du renfort tissé
5.2.1 Procédure expérimentale
5.2.2 Non linéarité des courbes de traction
5.2.3 Modules de Young
5.2.4 Comparaison avec les propriétés de la bande
5.2.5 Effet de la vitesse de traction
5.2.6 Taux d’usage et taux de sécurité à l’échelle des fibres et fils
5.3 Essais de traction uniaxiale sur le PVC
5.3.1 Description de l’essai
5.3.2 Résultats et discussions
5.4 Essais de compression uniaxiale sur le revêtement
5.4.1 Description de l’essai
5.4.2 Courbes de compression uniaxiale
5.4.3 Effet de la vitesse de compression
5.5 Essais de compression œdométrique sur le revêtement
5.5.1 Description de l’essai
5.5.2 Courbe de compression conventionnelle
5.5.3 Module de compressibilité K
5.6 Synthèse
6 Observations de la microstructure du matériau composite
6.1 Objectifs / Procédure expérimentale
6.2 Matériau à l’état sain (avant mise en service)
6.2.1 Observations sur les renforts
6.2.2 Porosité initiale dans la matrice
6.2.3 Charges contenues dans la matrice
6.3 Observations du matériau à l’état endommagé
6.3.1 Dégradation de la bande à l’échelle macroscopique
6.3.2 Dégradation de la bande à l’échelle mésoscopique
6.4 Synthèse et interprétations
III PARTIE 3 : ETUDE DE MODELISATION
7 Analyse mésoscopique du composite tissé. Application à la simulation d’une traction uniaxiale
7.1 Approche multiéchelle. Objectifs et Motivations
7.2 Cellule élémentaire périodique. Repères et notations
7.3 Mise en place du calcul
7.3.1 Contraintes imposées à la discrétisation de la cellule
7.3.2 Maillage de la cellule
7.3.3 Commentaires sur les modes d’analyses des contraintes axiales dans les fils
7.3.4 Conditions aux limites
7.3.5 Initialisation et réactualisation des repères locaux associés à chaque fil de chaîne
7.3.6 Coupure des fils. Indication du lieu d’une coupure et de la chronologie des coupures
7.4 Lois de comportement
7.5 Analyse de la contrainte axiale dans les fils de chaîne pour un état de contrainte macroscopique uniaxial
7.6 Définition d’un coefficient de concentration de contrainte comme critère général de classement des architectures tissées
7.7 Justification d’une rupture par interzone. Explication de la rupture du tissu en traction uniaxiale
7.8 Coupures d’interzone et transfert de charge en traction uniaxiale
7.9 Taux d’usage, taux de sécurité à l’échelle de la bande en traction
7.10 Applications aux données issues de chargement cyclique en traction
7.11 Rupture complète d’une bande à partir du bord
8 Analyse mésoscopique du composite tissé. Application à la simulation de la sollicitation réelle vue par une bande en service
8.1 Simulation de la flexion/traction macroscopique de la bande
8.2 Analyse de la contrainte axiale dans les fils de chaînes pour une sollicitation macroscopique de flexion
8.3 Justification d’une rupture par interzone et analyse des valeurs de σmaxI(IZ − i)
8.4 Explication de la rupture du tissu en flexion/traction
8.5 Taux d’usage, taux de sécurité à l’échelle de la bande en flexion
8.6 Analyses suite aux observations en tomographie de la bande endommagée
9 Classement des architectures tissées dans un objectif de conception optimisée
9.1 Synthèse du savoir faire de l’étude. Concept Kσ
9.1.1 Tissu unidirectionnel (UD)
9.1.2 Tissu interlock 2,5D (PVni 1400)
9.1.3 Tissu Straight Warp
9.2 Classement des architectures selon Kσ
9.3 Synthèse
IV PARTIE 4 : CONCLUSION et PERSPECTIVES
10 Conclusions et perspectives
10.1 Conclusions
10.2 Perspectives
V ANNEXES
CONCLUSION
