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Université Bordeaux 1 Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et

Université Bordeaux 1 Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement N° d’ordre : 4029 THÈSE présentée à L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1 ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L'INGENIEUR Par Serge MOUTON Pour obtenir le grade de DOCTEUR SPÉCIALITÉ : Mécanique Intégration des contraintes d’industrialisation des pièces en matériaux composites pour l’aide à la décision en conception préliminaire appliquée au procédé RTM Directeur de recherche : Patrick SEBASTIAN Soutenue le 21 mai 2010 après avis de : M. Poitou Arnaud Professeur, Ecole Centrale de Nantes Rapporteur M. Roucoules Lionel Professeur, Arts et métier ParisTech CER Aix en Provence Rapporteur Devant la commission d’examen formée de : M. Trochu François Professeur, Ecole Polytechnique de Montréal Président M. Poitou Arnaud Professeur, Ecole centrale de Nantes Rapporteur M. Roucoules Lionel Professeur, Arts et métier ParisTech CER Aix en Provence Rapporteur M. Sebastian Patrick Maitre de conférences HDR, Université Bordeaux 1 Examinateur M. Cahuc Olivier Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur M. Arquis Eric M. Teissandier Denis M. Devant François Professeur, ENSCPB Maitre de conférences, Université Bordeaux 1 Ingénieur, Dassault Aviation Examinateur Examinateur Examinateur p. 2 p. 3 REMERCIEMENTS Ce mémoire de thèse est l’aboutissement de travaux scientifiques encadrés par Patrick Sebastian et co-encadrés par Denis Teissandier. Je tiens à les remercier pour leur appui et leurs précieux conseils. Je remercie également Jean Pierre Nadeau, pour son accueil au sein de son groupe de recherche et son engagement dans l’organisation de la collaboration avec l’entreprise Dassault Aviation, site de Biarritz. Je tiens aussi à remercier les membres et le personnel des laboratoires Trèfle et LMP et plus particulièrement, Alex Ballu et Jérôme Pailhès. Je remercie Yann Ledoux pour son aide, ses conseils et son implication qui m’ont été très précieux. Sans sa participation active, mes travaux de recherche n’auraient pas pu aboutir. Je suis également reconnaissant envers M. François Trochu, qui a accepté de présider le jury, M. Lionel Roucoules et M. Arnaud Poitou pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail ainsi qu’à M. Olivier Cahuc, M. Eric Arquis et M. François Devant pour l’honneur qu’ils m’ont fait en prenant part au jury de thèse. Tous mes remerciements à, M. Estrades directeur de l’entreprise Dassault Aviation, site de Biarritz, pour son accueil au sein de l’entreprise, à Cyrille Clermont qui m’a soutenu dans ma démarche de captation de l’information, à l’Université de Bordeaux 1 qui m’a accordé trois années de décharge de service me permettant de faire face à ce défi quotidien. Enfin merci à Isabelle, Louise et Victor pour leur compréhension et leur soutien tout au long de ces trois années. Table des matières p. 4 TABLE DES MATIERES Chapitre 1 : Introduction 1.1 Contexte scientifique et industriel .................................................................................... 7 1.1.1 Les composites : historique, quelques chiffres .................................................................. 7 1.1.2 Nouveaux enjeux techniques et économiques ................................................................... 8 1.2 Ingénierie concourante et aide à la décision en aéronautique .............................................. 9 1.3 Modélisation pour l’aide à la décision ............................................................................ 11 1.4 Structuration du mémoire ............................................................................................... 13 Chapitre 2 : Acquisition de la connaissance 2.1 Design For Manufacturing (DFM) ................................................................................. 15 2.2 Acquisition et formalisation de la connaissance industrielle .......................................... 15 2.2.1 Classification des pièces de structure en composite ........................................................ 18 2.2.2 Démarche d’optimisation de la masse vs écarts de fabrication ....................................... 19 2.2.3 Stratégie de recherche de solutions optimisées ............................................................... 21 Chapitre 3 : Fabrication et assemblage des pièces composites 3.1 Le procédé RTM et ses déclinaisons .............................................................................. 25 3.1.1 Avantages du procédé RTM ............................................................................................ 27 3.1.2 Inconvénients et limites d’utilisation du procédé RTM .................................................. 28 3.1.3 Les phénomènes physiques mis en jeu dans la fabrication par procédé RTM ................ 29 3.1.4 Incidence du choix du procédé RTM .............................................................................. 30 3.1.5 Ecarts de fabrication des composants fabriqués par procédé RTM ................................ 31 3.2 L’assemblage des structures en aéronautique ................................................................. 32 3.3 Fabrication d’un longeron de plan horizontal d’aéronef ................................................ 34 3.3.1 Présentation du plan horizontal d’aéronef : les longerons .............................................. 34 Table des matières p. 5 3.3.2 Gamme industrielle de fabrication du longeron milieu ................................................... 36 3.4 Coût de fabrication des pièces RTM ............................................................................... 37 3.4.1 Modélisation du coût de fabrication des pièces de structure ........................................... 38 3.4.2 Relations pour l’estimation du coût fabrication .............................................................. 42 Chapitre 4 : Ecarts de fabrication des pièces obtenues par RTM 4.1 Description des écarts de fabrication .............................................................................. 45 4.2 Les constituants élémentaires d’une pièce en matériaux composites ............................. 47 4.2.1 Le renfort, élément de base pour la fabrication de la préforme ...................................... 48 4.2.2 La matrice ........................................................................................................................ 50 4.3 Les écarts géométriques de fabrication ........................................................................... 50 4.3.1 Le causes d’apparition d’écarts géométriques ................................................................ 50 4.3.2 Le choix des causes d’apparition d’écarts de fabrication ................................................ 53 4.3.3 Modélisation des écarts géométriques de fabrication ..................................................... 53 4.3.4 Les écarts géométriques de fabrication dans le cas du longeron ..................................... 54 4.4 Les écarts volumiques d’imprégnation ........................................................................... 58 4.4.1 Les causes d’apparition d’écarts volumiques d’imprégnation ........................................ 58 4.4.2 Le choix des causes d’apparition d’écarts volumiques d’imprégnation ......................... 63 4.4.3 Modélisation des écarts volumiques d’imprégnation ...................................................... 64 4.4.4 Les écarts volumiques d’imprégnation : cas du longeron ............................................... 66 4.5 Synthèse des causes d’apparition d’écarts de fabrication ............................................... 76 4.6 Les contraintes mécaniques résiduelles à l’assemblage ................................................. 77 4.6.1 Méthodes et limites de la modélisation des l'assemblage………………………………80 Chapitre 5 : Aide à la décision 5.1 Préambule ....................................................................................................................... 82 5.1.1 Modélisation pour l’aide à la décision ............................................................................ 84 Table des matières p. 6 5.1.2 Démarche de simulation numérique ................................................................................ 89 5.1.3 Modèle pour l’aide à la décision en conception préliminaire ......................................... 91 5.1.4 Méthodes et limites de la modélisation de la fabrication ................................................ 92 5.2 Des critères de performance pour l’aide à la décision .................................................... 93 5.2.1 Critère Cr1 : Outillage RTM ........................................................................................... 94 5.2.2 Critère Cr2 : Cycle RTM ................................................................................................. 95 5.2.3 Critère Cr3 : Rupture (Hashin) ........................................................................................ 95 5.2.4 Critère de piégeage des bulles d’air ................................................................................ 96 5.3 Analyse de performance ................................................................................................. 96 5.4 Application à la solution industrialisée du longeron .................................................... 101 5.4.1 Performance de la solution industrialisée ...................................................................... 101 5.4.2 Etude d’une première solution d’industrialisation alternative ...................................... 109 5.4.3 Etude d’une seconde solution d’industrialisation alternative ........................................ 113 5.4.4 Comparaisons des solutions d’industrialisation ............................................................ 117 5.4.5 Synthèse des résultats d'optimisation de l'industrialisation du longeron……………..119 Chapitre 6 : Conclusions et perspectives 6.1 Conclusions ................................................................................................................... 121 6.2 Perspectives .................................................................................................................. 125 Bibliographie………………………………………………………………………………....127 Introduction Chapitre 1 p. 7 CHAPITRE 1 : INTRODUCTION 1.1 Contexte scientifique et industriel 1.1.1 Les composites : historique, quelques chiffres Les matériaux composites non naturels sont utilisés pour la première fois lors de la seconde guerre mondiale. Dès cette époque, il existe déjà plus d’une douzaine de procédés de mise en œuvre de matériaux composites, soit plus qu’il n’existe de grandes techniques de transformation des métaux développées au cours des 200 dernières années [BER02]. Comparée aux 18 millions de tonnes de métaux ouvrées chaque année, l’industrie des composites n’est encore aujourd’hui qu’une petite industrie : elle ne représente que 300 000 à 350 000 tonnes de produits finis. Dans cette jeune industrie, un des enjeux actuels est de développer des outils de simulations permettant de dimensionner les produits. Cet enjeu, de par la spécificité des matériaux composites, doit dès le stade de la conception se baser sur une approche fonctionnelle, afin de mieux identifier les caractéristiques attendues et, intégrer les contraintes d’industrialisation ainsi que l’obligation de recyclabilité des matériaux composites. La prise en compte de l’ensemble de ces contraintes doit, pour être efficace, être réalisée dès le stade de la conception préliminaire (figure 1.1). La phase de conception préliminaire englobe la phase de recherche de concepts, stade ou tous les principes de conception n’ont pas été choisis, et la phase de conception architecturale durant laquelle les choix de technologies, de composants, de dimensions et d’architectures sont réalisés. Durant les premières phases du processus de conception les données manipulées sont imprécises. De plus la volonté de prendre en compte les contraintes issues de la fabrication implique de développer des méthodes et outils permettant d’évaluer l’incidence des choix sur le produit fabriqué. Ces évaluations seront basées sur une faible quantité d’informations soumises à de fortes incertitudes. Les effets des incertitudes et de l’ambigüité se traduisent par un risque de conception [SAR97]. L’incertitude provient d’un manque d’information sur les variables pertinentes pour la conception. L’ambigüité est un manque de compréhension ou de clarté sur les paramètres critiques, ou bien sur la nature des relations entre les paramètres [SCA04]. L’estimation du risque peut donc être un moyen pour comparer différentes alternatives de conception. Introduction Chapitre 1 p. 8 Figure 1.1. Cycle de conception : Phasage et jalonnement [SCA04] 1.1.2 Nouveaux enjeux techniques et économiques Un des avantages lié à l’utilisation des matériaux composites, est qu’il est possible de sélectionner les propriétés directionnelles du matériau, pour répondre aux diverses exigences de sollicitations de l'application. Cet avantage permet, afin de minimiser les masses, d’organiser la préforme fibreuse pour réduire l’épaisseur, tout en limitant les déformations dues à la phase de mise en forme. L’optimisation de la conception est donc étroitement liée à une conception de la pièce en intégrant la prise en compte de uploads/Industriel/ mouton-serge-2010.pdf