Étude de l'apparition des contraintes résiduelles dans le procédé d'empilement par soudage et consolidation en continu de composites thermoplastiques

The automated two placement process developed in the aircraft industry is an emerging technique for manufacturing continuous fiber-reinforced thermoplastic parts. Our objective is to model the appearance of residual stress in the process. The originality of the study was to develop a multi-scale and multi-physics numerical modeling allowing a coupling between the two scales in order to model the residual stress appearance during the process. The microscopic level, which is described by the constrained natural elements method (CNEM), provides the macroscopic scale the thermomechanical properties of the homogenized material at each time step. The macroscopic scale provides the microscopic scale the boundary conditions (temperatures, displacements), which allow to determine the temperature, strain and stress microscopic fields during the process. The results in terms of validation and implementation of the method to the automated two placement process are satisfactory and promising. The developed numerical method can moreover be easily applied to other types of forming processes of thermoplastic composites.Nos travaux se sont intéressés à la modélisation de l'apparition des contraintes résiduelles dans le procédé d'empilement par soudage et consolidation en continu développé dans l'industrie aéronautique. Dans les conditions standard d'élaboration, les pièces réalisées par ce type de procédé sont le siège d'importantes contraintes résiduelles. L'ignorance de leur origine et développement est un frein important à la validation industriel de ce procédé prometteur. Dans cette perspective, l'originalité de l'étude a été de développer une méthode de modélisation numérique multi-échelle et multi-physique permettant de réaliser une modélisation couplée aux échelles macroscopique et microscopique du phénomène de l'apparition des contraintes résiduelles, au cours du procédé. L'échelle microscopique, décrite à l'aide de la méthode des éléments naturels contraints (CNEM), apporte à l'échelle macroscopique les propriétés thermomécaniques homogénéisées du matériau à chaque pas de temps. L'échelle macroscopique apporte à l'échelle microscopique les conditions aux limites (températures, déplacements), qui permettent de déterminer les champs de température, de déformation et de contrainte microscopiques dans le matériau au cours du temps. Les résultats obtenus en terme de validation et d'application de la méthode au procédé d'empilement par chauffage et consolidation en continu sont satisfaisants et prometteurs. La méthode développée peut de plus être aisément appliquée à d'autres types de procédé de mise en forme des composites thermoplastiques