L'objet de la présente thèse est l'étude du comportement en compaction normale de renforts textiles plans, fabriqcés par assemblage de mèches de fibres continues, et utilisés pour la fabrication de pièces composites. Les propriétés des renforts tissés et non-tissés. ainsi que celles des renforts fabriqués par assemblage de fibres continues et incurvées (mats). sont discutées.

La thèse se compose de deux parties principales. Dans la première partie, les effets sur le comportement en compaction des principaux paramètres de mise en forme liés aux renforts textiles et pouvant être modules lors de la fabrication de pièces composites sont investigués. Ces paramètres incluent la pression de compaction maximale appliquée, la présence d'un fluide dans le renfort lors de la compaction, le nombre de couches de renfon utilisées pour la fabrication des pièces, etc. Les conclusions de cette étude ont été obtenues par la revue et l'analyse de données expérimentales publiées, et par la réalisation d'un programme expérimental dédié. Une série de paramètres observables est définie. et l'évolution de ces paramètres en fonction des paramètres de mise en forme est commentée. Les résultats obtenus dans cette partie de la thèse ont fait l'object d'une série de trois articles publiés dans un journal spécialisé.

La seconde partie de la thèse voit l'introduction de quantités permettant l'établissement de définitions géométriques des renforts appropriées au calcul de leurs propriétés mécaniques et de leurs propriétés de transport. Ces quantités sont définies à deux niveaux, soit celui du textile et celui des mèches;​ bien que les quantités introduites à chaque niveau puissent être utilisées indépendemment pour le calcul des diverses propriétés des mèches, textiles, préformes et pièces composites, leur utilisation conjointe doit ultimement résulter en une définition complète pour un renfort donné. Les quantités définies au premier niveau, soit celui de l'architecture textile, ont été identifiées par l'auteur à l'université de Nottingham lors du délai entre la fin du travail expérimental présenté dans la prenùère partie de cette thèse et la date de dépôt Ce travail, plus simple, a fait l'objet d'une série de deux articles acceptés pour publication dans un jomal spécialisé. L'essentiel du travail est résumé dans cette thèse en guise d'introduction aux quantités définies au niveau des mèches;​ il n'est cependant pas inclus en tant que partie intégrante de la thèse. L'analyse des quantités définies au second niveau, soit celui des mèches, est originale à la présente thèse. La seconde partie de la thèse se termine par une série de perspectives sur le développement, l'intégration et l'utilisation des quantités géométriques introduites.

L'étude du comportement en compaction des renforts est motivée par l'évolution rapide des procédés de fabrication des pièces composites, et par la nécessaire obtention d'outils permettant la simulation intégrée de tous les aspects de ces procédés. Les premiers travaux en ce sens ont été effectut5s dans un contexte de production de séries limitées de pièces, les deux procédés de fabrication alors considérés étant le moulage en cavité fermée pour les pièces de dimensions moyennes produites en Mie d'applications semi-structurales, et la consolidation en autoclave de préirnprégnés minces pour les pièces de plus grandes dimensions demandant un niveau de performance relevé. L'un des avantages de la première de ces techniques de moulage réside dans la possible utilisation d'appareillage de coût modeste, sous la forme de coques renforcées par une structure secondaire. En raison de la faible rigidité de ces coques, il est impératif de connaître les charges qui doivent être appliquées au renfort afin que la fraction volumique souhaitée pour le renfort soit atteinte préalablement a l'injection de la résine. Cependant l'étude de l'effet de paramètres tels que la saturation des renforts par un fluide, de même que la description des phénomènes physiques défissant le comportement en compaction des renforts, présentent relativement peu d'intérêt direct pour ce procédé. Dans le cas des études portant sur le moulage en autoclave, la structure simple des redorts considérés, constitués de fibres alignées et uniformément réparties dans des rubans préirnprégnés de résine, élimine tes effets associés à l'hétérogénéité des renforts textiles;​ ces renforts sont considérés comme étant des matériaux élastiques non-linéaires, dont les propriétés en compaction sont indépendan tes des paramètres de mise en forme.

Par contre, les propriétés mécaniques des renforts textiles ont une profonde influence sur la cinétique de procédés tels que l'injection-compression, le moulage par infusion ou l'imprégnation de textiles par calandrage. Dans le premier cas, l'injection du mélange réactif est préalable à la compaction des renforts, dont le comportement est altéré par la présence du fluide. Dans le second cas, l'épaisseur finale du laminé dépend presque exclusivement du comportement en compaction des renforts, la pression appliquée à la membrane n'étant équilibrée que par les renforts en fin de moulage. Enfin, dans le troisième cas, aucune restriction en épaisseur n'est imposée au préimprégné en sortie de calandre;​ la viscosité de la résine étant encore relativement faible à cet endroit, l'épaisseur finale du préimprégné sera fonction, entre autres paramètres, du fluage des renforts. Par ailleurs, les renforts utilisés pour la production de pièces composites en séries moyennes sont souvent assemblés en préformes préaiablement au moulage. Une préforme doit respecter certains critères au niveau de Ia répartition et de l'orientation des fibres, de façon à ce que la pièce offre une réponse optimale aux chargements et soit exempte de défauts tels que les zones riches en résine. L'obtention de pièces structurales présentant des fractions volumiques de fibres élevées implique une compaction importante des renforts lors de la fabrication des préformes. En effet, les augmentations de la hction volumique résultant de la compaction sont beaucoup plus fortes que celles qui peuvent être obtenues par le cisaillement des textiles dans leur plan;​ de plus, et contrairement à la compaction normale au plan, ce mode de déformation est essentiellement lié à la topologie de la pièce produite puisqu'il permet le drapage du moule par le renfort tissé. En conséquence, l'obtention de préformes satisfaisantes, à l'intérieur desquelles la disposition des fibres est contrôlée, nécessite entre autre information la connaissance du comportement en compaction des renforts. Enfin, la géométrie des réseaux de fibres constituant les assemblages hétérogènes que sont les textiles tissés occupe une place centrale dans la définition des procédés de fabrication, non seulement en égard au calcul des propriétés en compaction et autres propriétés mécaniques des assemblages de fibres, mais également en raison de son influence majeure sur la perméabilité et les propriétés de transfert thermique des réseaux.

Le chapitre 1 de cette thèse constitue une revue générale de la littérature;​ une synthèse générale est présentée au chapitre 2.

Les effets résultant du niveau maximal de pression de compaction appliquée aux renforts. du nombre de cycles successifs de compaction appliqués, du taux de compaction, et du nombre de couches de renforts utilisées sont identifiés au chapitre 3 à partir de l'analyse de résultats expérimentaux publiés;​ un critère permettant la distinction de comportements spécifiques aux mats et aux autres textiles est établi.

Les résultats d'un premier programme expérimentai structuré pour le contexte de cette thèse sont présentés au chapitre 4;​ les paramètres de mise en forme investigués sont le nombre de couches de renfort, le taux de compaction, le temps de maintien, la pression de compaction maximale, le nombre de cycles successifs, et l'immersion des renforts dans l'eau distillée à température ambiante. Ce programme confme les conclusions de la revue des résultats publiés et démontre que les paramètres ayant la plus forte influence sur les comportements en compaction et en relaxation different. Ces paramètres sont respectivement le taux de compaction et la présence du fluide pour la relaxation, et le nombre de couches pour la compaction. Les résultats de ce premier programme expérimental montrent également que l'obtention d'une réorganization durable des réseaux de fibres requiert que la pression de compaction soit successivement appliquée et retirée;​ la réorganization des réseaux ayant cours lors de la relaxation des renforts a épaisseur constante n'a pas d'effet perceptible sur les propriétés mécaniques mesurées lors de cycles de compaction subséquents.

La cinétique de réorganization des réseaux hétérogènes est décrite au chapitre 5 à partir des résultats d'un second programme expérimental. Ces résultats démontrent que l'application de dix cycles de compaction successifs permet une forte réduction de certaines zones riches en résine dans les pièces Wes, l'essentiel de la réduction étant obtenu aprés cinq cycles. Les renforts présentent un comportement instable pendant les dix premier cycles, ce comportement étant dominé par l'éîaiement latérai des mèches. Après les dix premiers cycles les propriétés des renforts dépendent du comportement aux contacts, comme le démontrent les essais effectués dans trois milieux différents.

Le chapitre 6 présente certaines quantités géométriques entrant dans la définition mathématique des textiles tissés et cousus. Les paramètres définissant l'architecture de ces textiles sont brièvement introduits, et certaines applications sont présentées à titre d'introduction à cette partie de la thèse. Le contact entre deux fibres présentant une ondulaton périodique quelconque est ensuite analysé selon une approche statistique. Le chapitre se termine par une discussion des perspectives associées aux quantitées qui y sont introduites.

La thèse se termine par une conclusion générale.

The object of this thesis is the study of the response to normal compaction of plane textile reinforcements produced by assembling rovings made of continuous fibers and used for the manufacturing of composite parts. The properties of woven and non-woven reinforcements are discussed, as well as those of random mats.

The thesis is separated in two main parts. In the first part, the effects on the compaction behavior of the principal processing parameters related to the reinforcement, and modulated during the fabrication of the composite parts, are investigated. These parameters include the maximum level of applied compaction pressure, the presence of a fluid in the reinforcernent as the compaction proceeds, the number of layers of reinforcernent used, etc. The conclusions of this study were obtained by reviewing and analysing published experimentd data and through the realhtion of an experimental program. A series of observed parameters is defined and the evolution of thesc parameters with the imposed variations in processing parameters is discussed. The results presented in the first part of the thesis were included in a series of three journal papers.

In the second part of the thesis, quantities are introduced which allow the construction of geometric definitions of the relliforcements;​ such definitions are to be used for the calculation of mechanical and transport properties of the reinforcements. The quantities are defined at two levels, Le. for the textiles and for the rovings. The quantities introduced at each level can be used independently for the calculation of diverse properties of the rovings, textiles, prefoms and composite parts;​ however their joint utilization shail result in a complete definition of any given planar reinforcement. The quantities defined at the first level, for the textile, were identified by the author in the university of Nottingham during the delay between the completion of the experimental work reported in the first part of the thesis and the defense. This work, which is sirnpler, was the object of a senes of hvo journal papers that were accepted for publication. The main part of the work is bnefly presented in the thesis as an introduction to the quantities which are defmed for the rovings;​ however it is not intended as an integral part of the thesis. The analysis of the quantities defmed at the second level, the level of the rovings, is original to this thesis. The second pan of the thesis is concluded by a senes of perspectives on the development, integration and implementation of the geometric quantities introduced.

The study of the compaction behavior of the reinforcements is motivated by the rapid evolution of the manufachiring processes for composite parts, and by the necessity to obtain tools allowing the complete and integrated simulation of al1 aspects of these processes. The first works in this area were made in a context of small-senes production, the two manufacturing processed considered being closed-cavity molding for middle-sized parts produced for semi-structurai applications, and autoclave consolidation of stacks of thin preimpregnated ribbons for large parts requiring higher levels of performance. One of the advantages of the first molding technique is the possibility to use low-cost equipment, consisting of shells reuiforced by a secondary structure. Because of the low rigidity of such shells, the loads required to reach a desired fiber volume fiaction must be precisely known. However the study of the effect of parameters such as the satwation of the reinforcements by a liquid, as well as the description of the physical phenornena defining the compaction behavior of the reinforcernents, ody present a limited direct interest for this process. In regard to studies on autoclave molding, the simple structure of the reinforcements considered, constituted of aligned fibers unifoxmiy distributed in preimpregnated ribbons, eliminates the effects assoçiated to the heterogeneity of textile structures;​ these reinforcements are considered as non-linear elastic materials for which the compaction properties are independant of the manufacturing parameters.

The mechanical properties of textile reinforcements nevertheless have a major impact on the kinetics of certain processes such as the injectioncompression, infusion molding, or impregnation of textiles by calendering. in the first case, the injection of the resin happens prior to the compaction of the reinforcement;​ the behavior of the reinforcements is therefore altered by the presence of a fluid. in the second case, the final thickness of the larninate depends almon exclusively on the compaction behavior of the reinforcements, the pressure applied on the membrane king equilibrated by the reinforcements oniy at the end of the molding operation. Finally, in the third case, no restriction is imposed on the preimpregnated sheet's thickness at the exit of the calender. The viscosity of the resin king relatively low at this point, the final thickness of the sheet will depend on the creep shown by the reinforcements among other parameters.

The reinforcements used for the production of middle-sized series of parts are often assembled in prefoms prior to the molding operation. A preform must respect certain criteria regarding the distribution and the orientation of the fibers in order for the produced part to offer an optimal response to the imposed loads, and for it to be exempt of defects such as resïn-rich areas. The obtention of structural parts featunng hi& fiber volume hctions requires important levels of compaction to be applied on the preform. The nse in the fiber volume fraction resulting from compaction is by far superior to the one that can be obtained fiom in-plane shearing of the textiles;​ furthemore, in contrq to the compaction of the reinforcements which can be controlled, the levels of shearing are essentially dependent on the topology of the part. Consequently, the obtention of satisfactory preforms in which the layout of the fibers is controlled requires, among other information, the knowledge of the compaction behavior of the reinforcements. Finally, the geometry of the fiber networks constituting heterogeneous assemblies such as textile reinforcements occupies a central place in the defi~tion of the manufachiring processes, not ody in regard to the computation of the compaction properties and other mechanicd properties of the fiber assemblies, but also because of its major influence on permeability values and other transport properties.

A general literature review is presented in chapter 1, and a general abstract of the thesis appears in chapter 2.

The effects of the maximum compaction pressure applied to the reinforcements, of the number of successively applied cycles, of the compaction rate, and of the number of layen used are identified fiom the analysis of published experimental results in chapter 3;​ a criteria dlowing to distinguish specific behaviors of mats and woven reinforcements is established.

The results of a first experimental program sûuctured toward the objectives of the thesis are presented in chapter 4. The investigated processing parameters are the number of layers of reinforcement, compaction rate, holding the, maximum applied pressure, number of successive cycles, and the immersion of the reinforcements in distilled Hz0 at room temperature. This program confirms the conclusions of the review of published results and demonsirates that the processing parameters having the strongest effect on the behaviors in compression and relaxation are not the same. These pararneters are respectively the compaction rate and fluid saturation for relaxation, and the cycle nurnber for compaction. The resdts of the experimental program show that the obtention of a lasting reorganization of the networks requires the successive applications and withdrawals of the compaction pressure;​ the reorganization that occurs during the relaxation at constant thickness failed to show visible effects on the mechanical properties measured on subsequent cycles.

The reorganization kinetics of heterogeneous networks is described in chapter 5, from the results of a second experimental program. The results demonstrate that the application of ten successive compaction cycles ailows an important reduction of some resin-rich areas in the final parts, the majonty of this reduction king obtained afier five cycles. The reinforcements show an unstable behavior during the first ten cycles, lhis behavior king determined by lateral spreading of the rovings. Mer the first ten cycles, the properties of the assembly depend of the behavior at the contacts, as demonstrated by the experiments performed in three different media.

Chapter 6 presents some geometric quantities used to define woven, braided and warpknitted textiles. The parameters demg the architecture of these textiles are introduced bnefly, and some applications are disçussed as an introduction the second part of the thesis. The single contact between two arbitrary, periodically crimped fibers is then analyzed following a statisticai approach. The chapter ends with a discussion of the perspectives associated to the introduced quantities.

The thesis ends with a general conclusion.