Numerical simulation for Resin Transfer Molding (RTM) manufacturing process is attempted by using the eXtended Finite Element Method (XFEM) combined with the level set method. XFEM allows to obtaining a good numerical precision of the pressure near the resin flow front, where its gradient is discontinuous. The enriched shape functions of XFEM are derived by using the level set values so as to correctly describe the interpolation with the resin flow front. In addition, the level set method is used to transport the resin flow front at each time step during the mold filling. The level set values are calculated by an implicit characteristic Galerkin FEM. The multi-frontal solver of IPSAP is adopted to solve the system. This work is validated by comparing the obtained results with analytic solutions.Moreover, a localization method of XFEM and level set method is proposed to increase the computing efficiency. The computation domain is reduced to the small region near the resin flow front. Therefore, the total computing time is strongly reduced by it. The efficiency test is made with simple channel or radial flow models. Several application examples are analyzed to demonstrate ability of this method. A wind turbine blade is also treated as industrial application. Finally, a Graphic User Interface (GUI) tool is developed so as to make easy the pre/post-processing of the simulation.

Le procédé de fabrication par RTM (Resin Transfer Molding) a été étudié numériquement à l’aide de la méthode XFEM (eXtended Finite Element Method) combinée avec la méthode Level set. La méthode XFEM permet d’obtenir une bonne précision numérique de la pression près du front d’écoulement, où son gradient est discontinu. Les fonctions de forme enrichies de la méthode XFEM sont proposées à l’aide des valeurs de Level set en vue de décrire correctement l’interpolation avec le front d’écoulement. En plus, la méthode de Level set est utilisée pour transporter le front d’écoulement à chaque pas de temps durant le remplissage du moule. Les valeurs de Level set sont calculées à l’aide d’une méthode de Galerkin implicite. Le solveur multi-frontal d’IPSAP a été utilisé pour la résolution du système. Cette étude a été validée en comparaison avec les solutions analytiques.En outre, une méthode de localisation avec XFEM et la méthode Level set a été proposée afin d’améliorer l’efficacité de calcul. Elle permet de réduire le domaine de calcul près du front d’écoulement. Par conséquent, le temps de calcul est fortement réduit grâce à cette méthode. Un test d’efficacité a été fait avec des modèles simples en écoulement laminaire ou radial.Quelques exemples d’application sont présentés pour illustrer la capacité de cette méthode. Une pale d’éolienne a également traitée comme application industrielle. Enfin, une interface d’utilisateur graphique a été développée en vue de fournir une facilité des pré- et post-processus. / Numerical simulation for Resin Transfer Molding (RTM) manufacturing process is attempted by using the eXtended Finite Element Method (XFEM) combined with the level set method. XFEM allows to obtaining a good numerical precision of the pressure near the resin flow front, where its gradient is discontinuous. The enriched shape functions of XFEM are derived by using the level set values so as to correctly describe the interpolation with the resin flow front. In addition, the level set method is used to transport the resin flow front at each time step during the mold filling. The level set values are calculated by an implicit characteristic Galerkin FEM. The multi-frontal solver of IPSAP is adopted to solve the system. This work is validated by comparing the obtained results with analytic solutions.Moreover, a localization method of XFEM and level set method is proposed to increase the computing efficiency. The computation domain is reduced to the small region near the resin flow front. Therefore, the total computing time is strongly reduced by it. The efficiency test is made with simple channel or radial flow models. Several application examples are analyzed to demonstrate ability of this method. A wind turbine blade is also treated as industrial application. Finally, a Graphic User Interface (GUI) tool is developed so as to make easy the pre/post-processing of the simulation.

The aim of this study is to investigate and compare the properties of two layer carbon epoxy composite plates manufactured using various resin impregnation techniques / Resin Transfer Molding (RTM), Light RTM (LRTM), Vacuum Assisted RTM (VARTM) and Vacuum Packaging (VP). Throughout the study a different packaging method was developed and named Modified Vacuum Packaging (BP). The mechanical properties of composite plates manufactured are examined by tensile tests, compressive tests, in-plane shear tests and their thermal properties are examined by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermo Gravimetric Analysis (TGA) tests. All tests were performed according to suitable ASTM standards. The performance of specimens from each process was observed to vary according to the investigated property / however the VP process showed the highest performance for most properties. For most of the tests, VARTM, LRTM and RTM methods were following VP process in terms of performance, having close results with each other.

Cette thèse s’intéresse à la déformabilité des renforts à bases de fibres de lin lors de leur mise en forme, au cours du procédé RTM (Resin Tranfer Molding), notamment lorsque les formes considérées sont complexes. La compréhension des défauts et mécanismes de déformations de ces renforts est alors nécessaire. S’appuyant sur un banc d’essai d’emboutissage spécifique, une caractérisation globale (défauts de mise en forme) et locale (déformations des mèches par méthode optique) des préformes a été réalisée, pour différents paramètres procédés (pressions serre-flan et orientation du renfort) et matériaux (architecture). De cette étude, un défaut spécifique lors de la mise en forme a été mis en évidence : le bouclage, sous la forme de flambement hors plan des mèches. Afin de contribuer à sa compréhension, peu décrite dans la littérature, un banc de caractérisation, indépendamment du procédé, a été conçu pour reproduire le phénomène dans le plan et identifier les différents mécanismes à l’origine de ce défaut. Une méthode interférométrique pour quantifier ce phénomène est proposée et une étude paramétrique est réalisée (tensions appliquées, angle de courbure, orientation, architecture du renfort). Au sein du renfort, le comportement des mèches présente de fortes non-linéarités en tension. Un modèle macroscopique par éléments finis est proposé afin de mettre en avant l’importance de ces non-linéarités sur les résultats numérique issus de l’opération de formage. Une étude de sensibilité sous différentes conditions procédés de ces non-linéarités est également apportée. / This study concerns the manufacturing process of composite material from woven flax reinforcement and specifically the preforming stage of the RTM (Resin Transfer Molding) process, with complex geometries. During the process several deformation modes take place and several defects may appear and it is therefore important to understand the mechanisms controlling their appearance. A specific sheet forming bench has been used to characterise the formed shapes at the macroscopic scale (global defects) as well as at the mesoscopic scale (tow strains). Various process parameters (blank holder pressures and reinforcement orientation) and the local tensile strains were measured using an optical method. From the observed defects, the tow buckling, out of plane bending of tows, was particularly investigated as this one is not very much described in the litterature. An experimental setup independent of the forming process was designed to specifically study this defect and to quantify the key parameters controlling its appearance. An interferometric method was proposed to measure the size of the buckles with accuracy and a parametric study (applied tensions, bending angles, orientation and architecture of the reinforcement) has been completed. Within the reinforcement, the tensile behaviour of tows presents strong non-linearities. A finite elements model at the macroscopic scale is proposed to highlight the impact of these non-linearities on the forming modeling results. A sensitivity study under several process conditions has been realized.

De nos jours, l’intégration de pièces composites dans les produits intéresse de plus en plus les industriels, particulièrement dans le domaine des transports. En effet, ces matériaux présentent de nombreux avantages, notamment celui de permettre une diminution de la masse des pièces lorsqu’ils sont correctement exploités. Pour concevoir ces pièces, plusieurs procédés peuvent être utilisés, parmi lesquels le RTM (Resin Transfer Molding) qui consiste en la mise en forme d’un renfort sec (préformage) avant une étape d’injection de résine. Cette étude concerne la première étape du procédé RTM, celle de préformage. L’objectif est de mettre en œuvre une stratégie efficace conduisant à la simulation par éléments finis de la mise en forme des renforts à l’échelle mésoscopique. A cette échelle, le renfort fibreux est modélisé par un enchevêtrement de mèches supposées homogènes. Plusieurs étapes sont alors nécessaires et donc étudiées ici pour atteindre cet objectif. La première consiste à créer un modèle géométrique 3D le plus réaliste possible des cellules élémentaires des renforts considérés. Elle est réalisée grâce à la mise en œuvre d’une stratégie itérative basée sur deux propriétés. D’une part, la cohérence, qui permet d’assurer une bonne description du contact entre les mèches, c'est-à-dire, que le modèle ne contient ni vides ni interpénétrations au niveau de la zone de contact. D’autre part, la variation de la forme des sections de la mèche le long de sa trajectoire qui permet de coller au mieux à la géométrie évolutive des mèches dans le renfort. Grâce à ce modèle et à une définition libre par l’utilisateur de l’architecture tissée, un modèle représentatif de tout type de renfort (2D, interlock) peut être obtenu. La seconde étape consiste à créer un maillage hexaédrique 3D cohérant de ces cellules élémentaires. Basé sur la géométrie obtenue à la première étape. L’outil de maillage créé permet de mailler automatiquement tout type de mèche, quelle que soit sa trajectoire et la forme de ses sections. La troisième étape à franchir consiste, à partir du comportement mécanique du matériau constitutif des fibres et de la structure de la mèche, à mettre en place une loi de comportement du matériau homogène équivalent à un matériau fibreux. Basé sur les récents développements expérimentaux et numériques en matière de loi de comportement de structures fibreuses, un nouveau modèle de comportement est présenté et implémenté. Enfin, une étude des différents paramètres intervenant dans les calculs en dynamique explicite est réalisée. Ces deux derniers points permettent à la fois de faire converger rapidement les calculs et de se rapprocher de la réalité de la déformation des renforts. L’ensemble de la chaîne de modélisation/simulation des renforts fibreux à l’échelle mésoscopique ainsi créée est validée par comparaison d’essais numériques et expérimentaux de renforts sous sollicitations simples. / Nowadays, manufacturers, especially in transport, are increasingly interested in integrating composite parts into their products. These materials have, indeed, many benefits, among which allowing parts mass reduction when properly operated. In order to manufacture these parts, several methods can be used, including the RTM (Resin Transfer Molding) process which consists in forming a dry reinforcement (preform) before a resin being injected. This study deals with the first stage of the RTM process, which is the preforming step. It aims to implement an efficient strategy leading to the finite element simulation of fibrous reinforcements at mesoscopic scale. At this scale, the fibrous reinforcement is modeled by an interlacement of yarns assumed to be homogeneous and continuous. Several steps are then necessary and therefore considered here to achieve this goal. The first consists in creating a 3D geometrical model of unit cells as realistic as possible. It is achieved through the implementation of an iterative strategy based on two main properties. On the one hand, consistency, which ensures a good description of the contact between the yarns, that is to say, the model does not contain spurious spaces or interpenetrations at the contact area. On the other hand, the variation of the yarn section shape along its trajectory that enables to stick as much as possible to the evolutive shape of the yarn inside the reinforcement. Using this tool and a woven architecture freely implementable by the user, a model representative of any type of reinforcement (2D, interlock) can be obtained. The second step consists in creating a 3D consistent hexahedral mesh of these unit cells. Based on the geometrical model obtained in the first step, the meshing tool enables to mesh any type of yarn, whatever its trajectory or section shape. The third step consists in establishing a constitutive equation of the homogeneous material equivalent to a fibrous material from the mechanical behavior of the constituent material of fibers and the structure of the yarn. Based on recent experimental and numerical developments in the mechanical behavior of fibrous structures, a new constitutive law is presented and implemented. Finally, a study of the different parameters involved in the dynamic/explicit scheme is performed. These last two points allow both to a quick convergence of the calculations and approach the reality of the deformation of reinforcements. The entire chain modeling/simulation of fibrous reinforcements at mesoscopic scale created is validated by numerical and experimental comparison tests of reinforcements under simple loadings.