Stress resultant shell approaches for simulations of textile composite reinforcement forming
Approches de coques en efforts résultants pour la simulation de la mise en forme des renforts textiles de composites
Résumé
Numerical simulation of the textile composite reinforcement plays a critical role in improving the manufacturing quality, reducing the manufacturing cycle, and manufacturing cost. The thickness of the textile composite reinforcement is significantly smaller than the other two dimensions, which make it possible to make the simulation using shell element. However, the possible slippage between the fibers gives the material a very specific behavior: the bending behavior is independent of the membrane behavior. The classical shell theory cannot be directly adopted. Specific to the woven fabric, a stress resultant shell approach is proposed for conducting the forming simulation. This approach introduces an independent bending stiffness to decouple bending behavior with membrane behavior. The stress resultants and stress moments are related to membrane strains and curvatures by rate constitutive equations (hypoelastic laws). Different types of forming experiments under different boundary conditions are conducted to make the comparison between simulation and experiment. The comparison shows the effectiveness and correctness of the proposed approach in predicting the textile composite forming. This approach is implemented in the commercial software ABAQUS and can be used by all users of this software. Specific to the existed simulation approaches that can only focus on the material in-plane deformation, a post-processing method is proposed to predict the rotation of normal directors. Based on the material deformation mechanism, this method assumes that the fiber is quasi-inextensible, and the thickness will keep constant. Then the rotation of normal directors can be obtained based on the in-plane deformation. A Matlab program is coded to conduct the computation, and a multi-layer cantilever bending experiment is conducted to validate its effectiveness. Wrinkling is one of the main defects during the textile composite reinforcement forming. To characterize the textile material drapability which is the ability to deform without wrinkles, a ratio of material shear stiffness and bending stiffness is defined. A series of square box and cylinder forming experiments are conducted using different types of textile composite reinforcements. It is demonstrated that the defined ratio can represent material drapability. And the material with a smaller drapability ratio is easier to form complex shapes without wrinkles.
La simulation numérique du renfort composite textile joue un rôle essentiel dans l'amélioration de la qualité de fabrication, la réduction du cycle de fabrication et du coût de fabrication. L'épaisseur du renfort composite textile est significativement plus petite que les deux autres dimensions, ce qui permet de faire la simulation en utilisant des éléments de coque. Cependant, le glissement possible entre les fibres donne au matériau un comportement très spécifique : le comportement en flexion est indépendant du comportement de la membrane. La théorie classique des coques ne peut pas être adoptée directement. Une approche de coque résultante des contraintes est proposée pour la simulation du renforcement composite textile. Cette approche introduit une rigidité de flexion indépendante pour découpler le comportement de flexion du comportement de la membrane. Les résultantes et les moments de contrainte sont liés aux déformations et aux courbures de la membrane par des équations constitutives de taux (lois hypoélastiques). Différents types d'expériences de formage sous différentes conditions limites sont réalisés pour comparer la simulation et l'expérience. La comparaison montre l'efficacité et l'exactitude de l'approche proposée pour prédire le formage des composites textiles. Cette approche est implémentée dans le logiciel commercial ABAQUS et peut être utilisée par tous les utilisateurs de ce logiciel. Par rapport aux approches de simulation existantes qui ne peuvent se concentrer que sur la déformation du matériau dans le plan, une méthode de post-traitement est proposée pour prédire la rotation des directeurs normaux. Basée sur le mécanisme de déformation du matériau, cette méthode suppose que la fibre est quasi-inextensible et que l'épaisseur reste constante. La rotation des directeurs normaux peut alors être obtenue sur la base de la déformation dans le plan. Un programme Matlab est codé pour effectuer le calcul, et une expérience de flexion en porte-à-faux multicouche est réalisée pour valider son efficacité. Le plissement est l'un des principaux défauts lors de la mise en forme des renforts textiles composites. Pour caractériser la drapabilité du matériau textile, qui est la capacité à se déformer sans plis, un rapport entre la rigidité en cisaillement et la rigidité en flexion du matériau est défini. Une série d'expériences de formage de boîtes carrées et de cylindres est réalisée en utilisant différents types de renforts textiles composites. Il est démontré que le rapport défini peut représenter la drapabilité du matériau. Et le matériau avec un plus petit rapport de drapabilité est plus facile à mettre en forme sans plis des formes complexes.
Domaines
Génie mécanique [physics.class-ph]
Origine : Version validée par le jury (STAR)