Academic literature on the topic 'Cinématique des fibres'

Certaines pathologies fonctionnelles requièrent une rééducation articulaire spécifique. Pour ce faire, il est nécessaire de quantifier la cinématique angulaire des mouvements imposes au patient; celle-ci a deux buts principaux: permettre une rééducation la plus adaptée possible et un suivi clinique. La recherche dans ce domaine est motivée par l'absence sur le marché de dispositifs conviviaux, polyvalents et peu couteux. Une étude est donc menée sur la réalisation d'un capteur polyvalent de mesure angulaire à fibres optiques: l'originalité de cette étude fait appel à différents concepts de techniques évoluées. Après une importante recherche bibliographique, une approche géométrique est adoptée pour analyser l'atténuation lumineuse provoquée par la courbure dans une fibre. Un banc de tests automatisé est conçu pour étudier le comportement de l'onde lumineuse en fonction du rayon et de l'angle dans une fibre optique courbée. A la suite d'un traitement électronique du signal détecté, une mesure indirecte de l'angle de courbure est déduite. Enfin, l'évaluation des performances du capteur est discutée à partir des résultats obtenus

Dans un contexte législatif de plus en plus restrictif concernant les émissions de CO2, l’industrie automobile s’intéresse à l’utilisation des matériaux composites hautes performances pour alléger les véhicules. L’utilisation de ces matériaux pour des industries grand volume nécessite d’industrialiser leurs procédés de mises en œuvre, et notamment le préformage des renforts textiles. Il s’agit d’une étape clé puisqu’elle influe sur les paramètres morphologiques du renfort, qui impactent directement les propriétés du matériau composite. Pour leurs performances mécaniques, les Non-Crimp Fabrics sont un type de renforts textiles de plus en plus utilisé pour la fabrication de matériaux composites. Cependant, leurs modes de déformation sont particuliers et plus complexes que ceux des produits tissés, plus largement étudiés et utilisés. Le premier objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit est la compréhension des principaux modes de déformation des Non-Crimp Fabrics. Cette étude est effectuée d’abord au travers des différents tests de caractérisation sur plusieurs architectures de Non-Crimp Fabrics. Des études concernant l’Uniaxial Bias Extension test, qui permet la caractérisation en cisaillement plan des renforts, montrent que ce test est applicable aux Non-Crimp Fabrics en accord avec les hypothèses classiques. Des indicateurs évaluant la fiabilité du test ont été développés. Dans un second temps, une approche cinématique reliant les paramètres d’architecture des Non-Crimp Fabrics à leur déformabilité en cisaillement plan est présentée. Cette approche permet d’optimiser ou d’évaluer rapidement les structures des Non-Crimp Fabrics vis-à-vis de leur déformabilité en cisaillement plan.Le second objectif de ces travaux de thèse est le développement d’un procédé d’estampage séquentiel pour préformer des renforts, et notamment des Non-Crimp Fabrics. Dans un premier temps, un argumentaire géométrique permet d’orienter le développement du procédé d’estampage. Dans un second temps, la simulation numérique par éléments finis est utilisée pour optimiser le procédé vis-à-vis de la spécificité des Non-Crimp Fabrics. Un intérêt particulier est porté sur la calibration de la loi de comportement du matériau MAT140, utilisé dans le cadre de ces travaux de thèse. La corrélation entre la simulation et les résultats expérimentaux est systématiquement étudiée, tant à l’échelle des tests des caractérisations élémentaires qu’à l’échelle de la pièce réalisée
Due to legacy restrictions concerning CO2 gas emissions, the automotive industry is interested in the use of high-performance composite materials to make vehicles lighter. The manufacturing of composite materials with high production rate requires to industrialize processes, and in particular preforming processes for textile reinforcements. Those processes are a key step since they determine the morphologic parameters of the reinforcements, which directly influence the composite material properties. For their mechanical behaviors, Non-Crimp Fabrics are a type of textile reinforcement more and more used for composite materials manufacturing. However, their deformation modes are specific and more complex than those of woven fabrics. The first aim of the thesis presented in this manuscript is the understanding of Non-Crimp Fabrics main deformation modes. Firstly, several Non-Crimp Fabric behaviors are analyzed thanks to tensile, bending and in-plane shear characterization tests. Specifically, the uniaxial bias extension test is studied and it is shown that the in-plane shear behavior of Non-Crimp Fabrics can be determined in accordance with the test classic assumptions. Moreover, indicators are developed to evaluate the reliability of the test. Secondly, a kinematical approach is presented. This geometrical analysis links the Non-Crimp Fabric parameters to the in-plane shear formability. This approach makes the evaluation and the optimization of Non-Crimp Fabric structures possible, from the in-plane shear formability point of view. The second aim of these thesis works is the development of a sequential stamping process to preform textile reinforcement, and Non-Crimp Fabrics in particular. Firstly, the process is designed thanks to geometrical and kinematical analyses. Secondly, numerical simulations, based on finite elements theory, are used to optimize the process design and the process parameters taking into account Non-Crimp Fabrics specificities. Fabrics are modelized with the MAT140 shell formulation. The calibration of this model is done and analyzed. Correlation between simulation and experimental results are systematically done at the characterization scale as well as at the preform scale

Les composites à renforts fibreux sont très prisés dans les industries de pointe comme l’aéronautique ou l’automobile du fait de leur rapport propriété mécanique/masse supérieur à celui des métaux. Leur mise en forme complexe présente de forts enjeux scientifiques, notamment pour les composites à renforts tissés. En effet, les renforts tissés sont sujets à l’apparition de défauts lors de leur mise en forme sur géométries complexes à double courbure. Certains de ces défauts ont déjà fait l’objet de plusieurs études alors que d’autres, comme les défauts de bouclage et de glissement des mèches, n’ont pour le moment pas encore été totalement explorés. À l’heure actuelle, les codes de simulations ne peuvent pas prédire précisément l’apparition et le développement des défauts de bouclage et de glissement des mèches lors de la mise en forme des renforts tissés. L’une des raisons est le manque de connaissances sur l’origine et la cinématique de développement de ces défauts. Ce travail de thèse propose d’apporter plus de compréhension sur ces défauts par une approche expérimentale et numérique. Concernant le défaut de bouclage, l’influence des tensions dans les réseaux de mèches, de la nature du renfort, de l’armure du renfort et des dimensions des mèches ont été étudiés. Pour le défaut de glissement, l’influence du type de renfort, des tensions dans les mèches, de l’armure du renfort et de l’orientation des mèches dans le renfort ont été explorés. Ces résultats ouvrent des perspectives concernant l’amélioration de la qualité des pièces composites
Composites with fibrous reinforcements are extensively used in advanced industries such as aeronautics or the automotive industry because of their higher mechanical property/mass ratio compared to that of metals. Their complex shape forming presents major scientific challenges, particularly for composites with woven reinforcements. In fact, woven reinforcements are subject to defects when shaped on complex geometries with high curvature. Some of these defects have already been the subject of several studies, while others, such as the tow buckling and sliding defects, have not been fully explored yet. At this moment, simulation codes cannot accurately predict the occurrence and development of tow buckling and sliding defects during the shape forming of woven reinforcements. One of the reasons is the lack of knowledge about the origin and kinematics of these defects. This thesis work proposes to bring more understanding on these defects through an experimental and numerical approach. Concerning the tow buckling defect, the influence of tensions in the tows network, the nature of the reinforcement, the reinforcement weave and the dimensions of the tows have been studied. For the sliding defect, the influence of the type of reinforcement, tensions in the tows, the reinforcement weave and the orientation of the tows in the reinforcement have been explored. These results open up perspectives for improving the quality of composite parts

Cette thèse s’inscrit dans une démarche originale pour les matériaux composites stratifiés (verre/époxy) consistant à développer des protocoles expérimentaux adaptés aux essais de fatigue classique et aux essais d’auto-échauffement multiaxiaux pour trois types de sollicitations: Traction, cisaillement pur et traction-cisaillement combinés via un montage Arcan. Ces protocoles permettent de traiter des bilans locaux d’énergie et s’appuient sur des techniques d’imagerie qualitative et quantitative, en combinant deux techniques d’imagerie: la première technique concerne la thermographie infrarouge par La méthode de lissage 2D permettant d’étudier séparément les effets dissipatifs, et les effets thermoplastiques. Les effets dissipatifs sont les responsable de l’endommagement par fatigue de la structure. La corrélation d’images digitales a permis d’accéder aux champs cinématiques pour pouvoir estimer l’énergie de déformation localement mise en jeu sur un cycle de chargement, et de la comparer à l’énergie dissipée. Une étude qualitative a été faite sous tomographe pour caractériser les mécanismes de d’endommagement suite à un essai de fatigue pour les trois types de sollicitation
In this thesis the original approach for laminated composite materials (glass / epoxy) of developing experimental protocols adapted to test conventional fatigue and self-heating tests in multiaxial for three types of loading: traction, pure shear and combined tensile shear using Arcan mounting. This method has been adapted to rapid determination of damage threshold of laminate composites. These protocols allow to deal with local energy balance and are based on qualitative and quantitative image processing techniques. It combines two image processing techniques: Infrared thermography method and digital image correlation. The Infrared thermography method through 2D smoothing allowsstudying separately dissipative effects which are related to for fatigue damage of the structure and thermoelastic effects accompanying self-heating tests. While the digital image correlation gives access to kinematic fields and estimation of the strain energy locally into play on a loading cycle, and compare it to the energy dissipated. A qualitative study was made under tomography to characterize the mechanisms of damage during fatigue testing for the three types of stress

Les pathologies du genou liées au sport sont nombreuses et impliquent, pour partie, la bandelette iliotibiale (ITT). Il s’agit d’un renforcement d’une partie du fascia profond de la cuisse, nommé fascia lata. Le fascia lata est un tissu conjonctif fibreux composé de fibres d’élastine et de réseaux de fibres de collagène présents dans différentes couches de tissu. Il a un rôle stabilisateur de l’articulation et permet le transfert des efforts entre les muscles, mais les propriétés et mécanismes de déformation de ce tissu restent mal connus. Dans ce contexte, les mécanismes de déformation du fascia lata lors de mouvements physiologiques du genou ont été étudiés. Des données quantitatives des champs de déformation du fascia lata ont été obtenues in situ mettant en évidence des mécanismes de déformation en traction, compression et aussi cisaillement. Par conséquent, le comportement mécanique d’échantillons isolés de fascia lata a été analysé avec des essais de cisaillement de type large bande et traction de biais, incluant l'étude de la cinématique des fibres de collagène. Une première contribution à la modélisation en éléments finis du comportement du fascia a également été proposée. Enfin, comme l'état de déformation naturel du fascia lata contribue à une bonne mobilité du genou, une étude in situ a été mise en place pour évaluer l'impact sur les déformations du fascia et mobilités articulaires d'une technique chirurgicale de relâchement des tensions, dite de pie-crusting appliquée à l’ITT et pouvant être recommandée dans des cas pathologiques. L’ensemble du travail réalisé apporte donc de nouveaux éléments dans l'étude du comportement mécanique du fascia lata
There are many sports-related knee injuries, some of which involve the iliotibial band (ITT). This is a thicker part of the deep fascia of the thigh, called fascia lata. The fascia lata is a fibrous connective tissue composed of elastin fibers and networks of collagen fibers present in different layers of tissue. It has a stabilizing role in the joint and allows the transfer of forces between muscles, but its properties and strain mechanisms remain poorly understood. In this context, the strain mechanisms of the fascia lata during physiological knee movements were studied. Quantitative data of fascia lata strain fields were obtained in situ highlighting strain mechanisms in tension, compression, and shear. Therefore, the mechanical behavior of isolated fascia lata samples was analyzed with shear tests such as bias extension tests and traction of a large band tissue. The study of collagen fiber kinematics was also included. A first contribution to the finite element modelling of fascia behavior was also proposed. Finally, as the natural state of deformation of the fascia lata contributes to good knee mobility, an in situ study was set up to evaluate the impact on joint mobility and strain levels on fascia of a surgical tension-release technique, known as pie-crusting, applied to the ITT and which may be recommended in pathological cases. All the work carried out therefore provides new elements in the study of the mechanical behavior of fascia lata

L'utilisation croissante de préformes tissées de type interlock 3D pour la réalisation de pièces composites dans le domaine de l'aéronautique suscite des besoins importants en modélisation et simulation pour optimiser ces structures. Dans le but de simuler le comportement mécanique de préformes tissées interlock 3D d'aubes de turbine, nous cherchons à développer un modèle à l'échelle mésoscopique permettant de représenter le comportement de mèches de carbone, en particulier sous sollicitation de compression transverse. Pour comprendre les mécanismes impliqués dans ce type ce chargement, des simulations ont été conduites à l'échelle des constituants élémentaires en ayant recours à un modèle de macro-filament. Un modèle de poutre à cinématique enrichie, reposant sur un développement polynômial à un ordre quelconque par rapport aux coordonnées transverses a été proposé. Une nouvelle approche de détection et de modélisation des interactions de contact-frottement entre poutres à cinématique enrichie présentant des sections fortement déformables a été développée. Enfin un modèle de comportement hybride, adapté au modèle de poutre à cinématique enrichie, est proposé sous la forme d'une combinaison de différents modèles hyperélastiques élémentaires(Saint-Venant isotrope transverse, néo-hookéen 2D et exponentiel) afin de reproduire la réponse mécanique identifiée sous compression transverse
The increasing use of 3D interlock woven preforms for the manufacturing of composite parts in aircraft industry createsnew requirements for modelling and simulation to optimize these structures. In order to simulate the mechanicalbehaviour of 3D interlock woven preforms for fan blades, this work is aimed at developing a model at mesoscopic scaleable to represent the behaviour of carbon fibre tows, specially when submitted to transverse compression. In order tounderstand the mechanisms involved in this kind of loading, simulations have been performed at the scale of theirelementary components, using a macro-filament model. A higher order beam model, based on a polynomial expansion to anyorder with respect to transverse coordinates, has been proposed. A new approach for detecting and modelling frictionalcontact interactions between higher order beams with highly deformable cross-sections has been developed. Finally, ahybrid rheological model, suited to the higher order beam model, in the form of a combination of various elementaryhyperelastic models (transversely isotropic Saint-Venant, 2D neo-hookean and exponential), has been proposed to fit themechanical response identified under transverse compression tests

Le développement des capteurs de déplacement à hautes performances du point de vue de la limite de résolution et de l’étendue de mesure, est devenu une demande croissante pour les systèmes mécaniques et mécatroniques. Ce mémoire présente la modélisation, la conception et la fabrication d’un capteur innovant permettant la mesure in-situ et en temps réel du déplacement linéaire d’un axe en mouvement de rotation. Ce capteur est caractérisé par une grande étendue de mesure d’une dizaine de millimètres et par une résolution micrométrique. Après une étude bibliographique portant sur les applications industrielles de ce capteur, une modélisation géométrique de la réflexion de lumière par une surface convexe a été développée. Ce modèle calcule l’intensité lumineuse détectée par le capteur en fonction du rayon de courbure de la surface. Il a montré que la sensibilité augmente en fonction du rayon de courbure (Rc) et que la résolution est optimale pour (Rc=20 mm). Ce modèle géométrique a été validé par des essais expérimentaux dont les résultats ont montré une chute de la sensibilité pour des rayons inférieurs à (Rc= 15 mm). Pour cette raison, et afin de garantir le meilleur fonctionnement du capteur, le rayon de courbure choisi pour la fabrication du réseau de cônes imbriqués a été de 25 mm. Une fois le rayon de courbure optimal choisi, une modélisation géométrique de la mesure de déplacements linéaires sur une grande étendue de mesure par l’utilisation de deux sondes et d’un réseau à cônes imbriqués a été réalisée. La technique d’usinage de haute précision (UHP) a été présentée. Un premier prototype de ce réseau en alliage d’aluminium a été obtenu. Puis, le modèle géométrique a été optimisé pour mieux prendre en compte certaines contraintes de fabrication, ce qui a conduit à l’usinage d’un deuxième prototype ayant des paramètres géométriques légèrement modifiés et un meilleur état de surface pour mieux réfléchir la lumière. Enfin, la validation expérimentale du principe de mesure du capteur à fibres optiques (CFO) a été faite pour ces deux prototypes du réseau de cônes imbriqués, à l’aide d’un montage mécanique, ce qui a permis d’orienter au mieux les sondes du CFO en face du réseau. Cette validation a permis d’évaluer les performances du CFO. Pour le premier prototype, un recouvrement de 30 µm a été vérifié entre les deux signaux. Différentes vitesses de translation et de rotation on été appliquées ; où on a remarqué l’apparition des pics périodiques. Ces pics sont dus à un problème de balourd de l’axe de rotation de la broche ; en augmentant les valeurs de la vitesse de rotation, les pics s’atténuent, car l’inertie de la broche est supérieure. Pour cette raison, on a privilégié de travailler avec des vitesses de rotation élevées et une gamme de vitesse de translation tout en tenant compte de la fréquence d’acquisition. Pour le deuxième prototype, on a validé le principe de mesure avec deux sondes à fibres optiques. Un recouvrement suffisant a été mesuré entre les deux signaux. On a constaté qu’en acceptant davantage de non-linéarité, on augmente la largeur de la zone de recouvrement, ce qui facilite le basculement d’une sonde à l’autre et ainsi assure la continuité de la mesure sur une étendue millimétrique qui est fonction du nombre de cônes, mais l’exactitude de la mesure s’en trouve diminuée. En augmentant la vitesse de translation, on diminue le nombre des points acquis dans la zone de recouvrement, ce qui exige une fréquence d’acquisition plus élevée
The development of displacement sensors with high performances regarding the limit of resolution and the measurement range has become essential for different mechanical systems This Ph.D. presents the modeling, the design and the fabrication of an original fiber-optic sensor. lt is able to measure the linear displacement of a rotating axis. This sensor is characterized by a micrometric resolution on a measurement range of several millimeters. After a bibliography study related to the industrial applications of the sensor, a geometric model of the light reflection by a convex surface has been developed. This model calculates the light intensity detected by the sensor as a function of the radius of curvature (Re); the model shows that the sensitivity increases as a function of the radius of curvature of the reflector (Re) and the limit of resolution is optimal for (Re=20 mm). This geometric model had been experimentally validated; where it was found out that the sensitivity decreases for the radii of curvature less than 15 mm (Re= 15 mm). For that reason, and in order to ensure the best functionality of the sensor, the radius of curvature chosen for the fabrication of the canes assembled grating was 25 mm. Once the optimal radius of curvature fixed a geometric model for the linear displacement measurement on a long measurement range using two fiber-optic probes and one cones assembled grating has been developed. The first prototype of the cones assembled grating was obtained with a high precision turning machine on an aluminum alloy. Afterwards, a second prototype of the cones grating was fabricated; where several parameters have been optimized, such as: the non-inclusion of the fabrication constraints in the geometric model and a better surface roughness of the cones assembled grating. The high precision fabrication technique of the two prototypes was presented. Finally, the experimental validation of the sensor measurement principle with two fiber-optic probes with the help of a mechanical set-up was realized. The mechanical set-up is used to a better orientation of the probes in front of the grating. The experimental validation helped to evaluate the overall sensor performances. For the two prototypes, an overlap of 30 um was verified between two successive signals. Different translation and rotation speeds were applied; where periodical peaks were observed in the output signals. These peaks are due to an unbalanced rotation of the spindle axis of rotation; with high speed values, the peaks are attenuated due to the high inertia of the spindle. For this reason, it is preferred to work at high rotational speeds (20 tr./s) with a consideration of the sampling frequency. This sensor is characterized by a micrometric resolution, on a measurement range of about 10 mm

Ce travail porte sur le développement d'une technique expérimentale qui peut aider à définir les paramètres clefs du comportement après impact de panneaux composites stratifiés. Pour cela, des modèles éléments finis ont été construits pour inclure des délaminages à partir d'observations de CT-scans d'échantillons impactés. Les résultats de ces modèles ont été comparés à des mesures expérimentales obtenues par une technique de mesure de champs de pentes: la déflectométrie. Ce travail aussi présente un nouvel indicateur d'endommagements basé sur l'application de la méthode des champs virtuels à l'évaluation d'écarts locaux à l'équilibre. Cette procédure d'abord détaillée est ensuite appliquée à des échantillons de types poutres et plaques. Les résultats expérimentaux illustrent la remarquable sensibilité de cette technique de mesure : elle permet de capturer les effets de très faibles endommagements. Aussi, cette technique montre que les simples modèles numériques présentés dans ce travail nécessitent des améliorations pour se rapprocher des données expérimentales. L'indicateur d'écart à l'équilibre a détecté correctement le contour des zones endommagées quand suffisamment d'information spatiale était disponible. Poursuivre ce travail permettrait de créer un outil précieux aidant la conception de pièces en composites.

Nous nous intéressons dans ce travail à la rupture en traction des matériaux composites unidirectionnels dans la perspective de leur utilisation comme câbles de précontrainte. Le comportement de type élastique-fragile de ces matériaux impose de prendre en compte l'aléa de résistance, afin de prédire les effets d'échelle. Pour étudier ce problème, nous avons simulé numériquement la rupture des composites unidirectionnels à l'aide d'un modèle mécanique à cinématique uniaxiale. Nous avons réalisé pour chaque géométrie un très grand nombre de simulations afin d'obtenir une statistique de rupture au voisinage des faibles résistances très précises. Nous avons étudié deux mécanismes d'endommagement, rupture des fils et décohésions entre fils (un fil peut être constitué d'une ou plusieurs fibres, sa section étant caractéristique de la finesse de discrétisation du modèle). Nous avons alors constaté qu'un effet d'échelle de longueur de type chaîne décrivait correctement nos simulations de rupture pour différentes longueurs dès que l'on pouvait négliger les effets d'extrémité et, d'un point de vue pratique, que la queue de distribution des faibles résistances n'obéit plus à une loi du type rupture de la structure au premier endommagement. L'extrapolation des courbes de distribution des résistances a permis de proposer le concept de résistance utile d'un jonc en acceptant une certaine probabilité de rupture. Cette résistance utile peut être très largement supérieure à celle utilisée actuellement en appliquant un coefficient de sécurité de 0,5 à la résistance moyenne. L'utilisation de ce concept de résistance utile pourrait alors réduire la quantité de matière et évidemment les coûts. Un autre apport du travail est issu de l'étude des effets d'échelle de section. Nous sommes en effet arrivés à démontrer que pour un usage donné (longueur, probabilité de rupture admissible), il existe une section optimale de jonc donnant la meilleure résistance utile.