Bmc injected composite: analysis and multi-scale modeling of damage behavior
Composites BMC injectés : analyse et modélisation multi-échelles du comportement endommageable
Résumé
Schneider Electric is developing technical parts used in the area of Low Voltage Power, medium voltage and industrial control. These parts are highly constrained in terms of dielectric, mechanical and thermal properties. This study is carried out on BMC materials (Bulk Molding Compound), applied in electrical industry and expected to answer all the properties mentioned before. In general, all the BMC composites are based on polyester resin used with low shrink additive and mineral fillers. One can obtain different properties by the method of processing and varying the amount or the nature of each component of the formulation. The design of pieces and the choice of the composite materials allow us to reach the main properties expected for such application. The main objective of Schneider Electric is to create a tool for the design of these BMC pieces, describing their mechanical properties as a function of the proposed formulation. We have proposed an approach to establish a numerical model allowing us to predict the behavior of BMC composites based on the properties of each constituent of the formulation. The proposed approach is based on a multi-scale homogenization of random media. The experimental results allowed us to determine precisely the micro-structure of the materials and its influence on the macroscopic scale (mechanical properties). They have permitted us to highlight the specificities of this class of materials. The results are integrated into a model of Mori-Tanaka type, coupled with the inclusion of damages like the formation of voids growth and the debonding of fibers.
Les pièces élaborées par le groupe Schneider Electric sont principalement utilisées dans les domaines de la Basse Tension de Puissance, la Moyenne Tension et le Contrôle Industriel et fortement contraintes sur les plans diélectrique, mécanique et thermique. Cette étude traite des matériaux de type BMC appliqués dans l'industrie électrotechnique pour répondre à ces besoins. Si les BMC sont tous élaborés à base de résine polyester, d'un agent anti retrait, et de charges et renforts minéraux, ils diffèrent entre eux par le choix du procédé de fabrication mais aussi par la nature et la proportion de chacun des constituants du mélange. La conception des pièces et le choix du matériau composite permettant de remplir les fonctions principales demandées à une pièce ne sont donc pas triviaux et s'appuient encore largement sur un savoir-faire empirique. L'objectif de Schneider Electric est donc de disposer à terme d'un outil d'aide à la conception des pièces en décrivant les propriétés mécaniques des BMC en fonction de leur formulation et en optimisant ensuite le choix du matériau composite en fonction du cahier des charges demandé. Nous proposons ici de mettre en place les éléments nécessaires à l'établissement d'un modèle prédictif permettant de déduire la loi de comportement des composites BMC en fonction des propriétés de ses constituants. La démarche proposée est fondée sur une approche multi échelle d'homogénéisation des milieux aléatoires. Une analyse expérimentale complète nous permet de déterminer de manière précise la microstructure du matériau, son influence sur les propriétés mécaniques macroscopiques mais aussi de mettre en évidence les spécificités de cette classe de matériaux. Les résultats sont ensuite intégrés dans un modèle de type Mori-Tanaka élastique couplé à la prise en compte de l'endommagement par croissance de cavités et décohésion de fibres.
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