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Theses Year : 2009

Macromechanical and micromechanical modelling of machining long fiber reinforced polymer composites

Modélisation macromécanique et micromécanique de l'usinage des composites à matrice polymère et fibres longues

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Abstract

A cutting induced-damage process involving matrix cracking, fibre fracture and interlaminar delamination often occurs when machining Fiber-Reinforced Polymer material (FRP). The current work proposes numerical modelling of the chip formation and the cutting induced damage processes. Two numerical approaches have been developed to analyze the micromechanical and macromechanical aspects of the cutting process. In the micromechanical approach, the material is modelled with two distinguished phases, fibres and matrix. The characteristics of individual fibres and matrix were found to be the most important factors for evaluating chip formation, cutting forces and the induced cutting damage. In the macromechanical approach, the material is considered as being homogenous equivalent material. Two types of scheme were used to integrate the stiffness degradation concept into the material behaviour. The implicit scheme has been incorporated in Abaqus code via a User-Defined Subroutine (USFLD) to predict the initiation state of damage and its progression through the composite structure. A second scheme (explicit scheme) has been adopted to investigate the effect of the cutting conditions on the machining process. The user-subroutine VUMAT has been developed for the implementation of the damage model with the explicit scheme. The results in terms of physical mechanisms of chip formation, cutting forces and damage evolution show a good agreement with experimental data. The fibre orientation and the cutting edge radius were highlighted as the most important parameter influencing machining of fibre reinforced polymer composites
l'usinage des matériaux composites à matrice polymère et fibres longues induit souvent dans la pièce usinée des endommagements subsurfaciques comme la fissuration de la matrice, la rupture de la fibre et/ou le délaminage intralaminaire. Dans ce travail de thèse, deux approches numériques ont été développées pour analyser les aspects micromécaniques et maromécaniques du processus d'usinage. Dans l'approche micromécanique, le matériau est supposé contenir deux phases en liaison parfaite, la fibre et la matrice. Les résultats montrent que les caractéristiques propres à chacun de ces constituants jouent un rôle déterminant dans la reproduction de la formation du copeau, des efforts de coupe et de l'endommagement induit par l'usinage. Dans l'approche macromécanique, le matériau est considéré comme homogène équivalent. Deux schémas numériques ont été choisis pour intégrer le concept de chute de rigidités dans la loi de comportement du matériau usiné. Un premier schéma implicite a été réalisé avec le code ABAQUS standard via la subroutine USDFLD pour suivre l'initiation et la progression du processus d'endommagement dans la structure composite. Un second schéma explicite a été adopté et implémenté via une subroutine VUMAT pour analyser l'effet des conditions de coupe sur le procédé d'usinage. les résultats en termes d'efforts de coupe, de mécanismes physiques régissant la formation du copeau et d'évolution de l'endommagement montrent une bonne concordance avec les essais expérimentaux. il a été montré dans cette étude que l'orientation des fibres et l'acuité de l'arête de coupe sont les principaux paramètres influençant l'usinage des matériaux composites à matrice polymère et fibres longues
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Dates and versions

pastel-00005643 , version 1 (01-02-2010)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00005643 , version 1

Cite

Larbi Lasri. Modélisation macromécanique et micromécanique de l'usinage des composites à matrice polymère et fibres longues. Sciences de l'ingénieur [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 2009. Français. ⟨NNT : 2009ENAM0031⟩. ⟨pastel-00005643⟩

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