Unified Numerical Modeling of Forming and Consolidation of Thermoplastic Composites with Prepreg Patches
Modélisation numérique unifiée du formage et de la consolidation des composites thermoplastiques avec des patchs préimprégnés
Résumé
‘Quilted Stratum Process’ (QSP®) uses strategically placed thermoplastic prepreg patches in its stack to form a part. Thus, even though it shares several features with the standard composite thermostamping process; there are some additional challenges that arise due to the usage of prepreg patches, along with the inability to use a blank holder, possible long distance sliding of prepreg patches and the transverse squeeze flow occurring duringconsolidation especially for UD patches. A novel semi-empirical contact mechanism to model the interply adhesion is developed in the commercial code of Altair RadiossTM which has improved the prediction of patch positions and fibre orientations significantly. A new full-integration shell element with the capability of transverse normal stress and selective mass scaling is developed by modifying the shell element in Altair RadiossTM for the numerical modeling of consolidation where the classic shells cannot be used due to their plane-stress assumption. An elasto-plastic constitutive model for the new shell element is developed in order to model the behavior of the melt thermoplastic polymer during consolidation. A practical method for its characterization is proposed. Finally, using these developments, a unified approach is developed for the numerical modeling of forming and consolidation. It isvalidated on an industrial part and results are found to be in good agreement with the experimental observations.
Le « Quilted Stratum Process » (QSP®) est un procédé qui utilise des patchs de préimprégné thermoplastique placés stratégiquement pour former une pièce composite. L'utilisation de patchs préimprégnés introduit des particularités par rapport au formage classique, comme l'impossibilité d'utiliser un cadre serre-flanc, la possibilité de grands déplacements des patchs préimprégnés pendant le formage et la présence d’écoulement de compression pendant la phase de consolidation, en particulier pour les patchs unidirectionnels. Un nouveau modele semi-empirique de contact est développé dans le code commercial d'Altair RadiossTM pour prendre en compte l'adhesion inter-pli. Il a permis une amélioration de la prédiction des positions des patchs et des orientations des fibres dans les plis. Un nouvel élément de coque à intégration complète est développé en modifiant l'élément de coque existant dans Altair RadiossTM base sur l’hypothèse de contraintes planes. Le nouvel élément permet de calculer les contraintes normales dans l’épaisseur. Il est enrichi par une méthode d’ajout artificiel et sélectif de masse pour réduire les temps de calcul. Un modèle constitutif élasto-plastique de la nouvelle coque est développé afin de modéliser le comportement du polymère thermoplastique pendant la phase de la consolidation. Une méthode d’identification du modele est proposée. Enfin, en utilisant l’ensemble de ces développements, une approche unifiée est proposée pour la modélisation numérique du formage et de la consolidation. Elle est validée sur une pièce industrielle.
Origine : Version validée par le jury (STAR)