Vers une modélisation prédictive de l'amortissement des composites bio-sourcés – Bio-Damping

L’étude expérimentale statique et dynamique sera réalisée au LEM3 à Metz. D’une part, les caractéristiques mécaniques seront identifiées par la détermination du module d’Young à l’aide des essais de traction (Zwick Roell) en température. D’autre part, les investigations expérimentales portant sur la dynamique des structures s’effectueront sur la plate-forme Vibration. La caractérisation dynamique sur différentes plaques par des essais de vibrations permettra de comprendre l’influence de la température, l’hygrométrie, des UV, de la fréquence et de l’orientation des fibres, sur les propriétés amortissantes du composite à fibres végétales. Au vu du nombre important d’essais expérimentaux programmés dans cette étude et afin d’être dans des conditions de production industrielle, la fabrication des éprouvettes (plaques et poutres) sera sous-traitée à des entreprises de la région lorientaise. L’objectif de la partie modélisation est le développement de modèles de comportement viscoélastique d’un pli, faciles à implémenter dans les codes de calcul. Pour cela, différentes méthodes d’identification seront mises en œuvre à l’aide des données expérimentales.
Les modèles de comportement du pli fibres de lin/matrice seront complexes, avec une dépendance en fréquence et en température. Les méthodes classiques de résolution de problème vibratoire ne seront pas applicables. Il sera donc nécessaire de déterminer les méthodes les plus pertinentes pour résoudre les problèmes de vibrations non linéaires, forcées ou non, de structures composites en fibres de lin. Ces méthodes seront basées sur des techniques d’homotopie et de perturbation, ou sur la Méthode Asymptotique Numérique (MAN).
Les incertitudes liées aux matériaux composites à base de fibres de lin induisent de prendre en compte la variabilité des paramètres influents du composite, en particulier les propriétés matériau, dans le modèle déterministe. La simulation non déterministe vise à mieux maîtriser les incertitudes dans le but d'améliorer la prédictivité du modèle numérique. La propagation des incertitudes à travers le modèle sera effectuée par une approche probabiliste afin d'obtenir une évaluation de la variabilité des sorties du modèle. Une approche de type Monte-Carlo combinée à l'hypothèse de stabilité modale sera utilisée pour réduire fortement le temps de calcul. Un indicateur d’erreur sera également utilisé pour limiter le nombre de tirages aléatoires et donc le nombre de simulations.

L’ensemble de ces travaux aboutira à un outil prédictif qui permettra de développer l’utilisation industrielle des fibres naturelles à base de lin. Les industriels pourront d’une part, optimiser leurs structures comme par exemple choisir les meilleures orientations des fibres dans l’empilement des plis de la structure, et d’autre part, prédire leurs caractéristiques modales (fréquences et amortissements) sans réaliser d’essais expérimentaux coûteux. L’outil prédictif établi permettra de choisir la structure laminée à réaliser afin de réduire certaines vibrations en assurant le confort sonore et la sécurité. Il sera en mesure également de prévoir l’évolution du comportement de la structure en fonction de la variabilité des paramètres matériaux et du vieillissement. La structure en fibres naturelles plus légère et plus amortissante qu’une structure en fibres conventionnelles réduira également la consommation en énergie lors de sa mise en œuvre, grâce à la proximité de la matière première, et de son utilisation, par la diminution de la consommation de carburant.

Le projet « Bio-damping » propose une modélisation des propriétés amortissantes d’un pli (fibres de lin/matrice) pour prédire l’amortissement des structures composites biosourcées en tenant compte de la variabilité de certains paramètres. Il s’inscrit dans une problématique de dimensionnement de structures avec la prise en compte de l’environnement de la structure (T°, taux d’humidité, UV). De nombreux domaines d’applications sont directement impactés par les problématiques de vibration de structures. L’amortissement passif est un levier direct quant à ce problème.
Au sud de la Bretagne, les entreprises du nautisme de la Sailing Valley, cherchent à intégrer les fibres de lin dans la réalisation de parties de leur navire et d’embarcation, notamment les foils, les safrans, les gouvernails et les mâts. L’usage de ces appendices provoque des vibrations qui peuvent être désagréables pour les marins mais qui peuvent également déstabiliser le navire lors de manœuvres. Les résultats du projet permettront de proposer à ces acteurs, une architecture de leur structure composites (choix de l’orientation des fibres) en fonction des fréquences à amortir.
Avec près d’un tiers des surfaces mondiales de lin textile, la France est leader dans la production de cette plante cultivée uniquement dans Les Hauts-de-France et en région Normandie, grâce à la combinaison singulière d’un climat océanique naturellement humide, d’une faible densité thermique, de sols généreux et du savoir-faire des liniculteurs. Le projet Bio-Damping permettra aussi de développer les applications des composites à fibres de lin.
Aujourd’hui, bassin de la métallurgie, la région lorraine s’ouvre à des secteurs d’activité d’avenir. L’énergie renouvelable ou plus précisément l’apport de la fibre de type naturelle dans les composites apporterait une innovation pour les industriels du secteur tel que des PME du composite pour la fabrication de coque pour l’aviation civil. Le projet s’inscrit dans une dimension plus large pour dynamiser le tissu socio-économique par la recherche vers une production écologique à travers la preuve du concept d'un composite bio-structuré et de ces capacités amortissantes.

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Par ses nombreux avantages naturels, les fibres bio-sourcées intéressent de plus en plus les acteurs industriels. En effet, par leurs capacités intrinsèques d’amortissement et de légèreté, les fibres naturelles concernent directement les domaines du transport (naval, nautisme, aérien, ferroviaire, ou automobile) pour améliorer le confort des usagers. Dans une démarche d’éco-conception, les industriels (notamment ceux du nautisme avec des pièces comme les foils, les mâts, les safrans et les gouvernails) s’interrogent sur l’intérêt d’intégrer des fibres naturelles dans toute ou partie d’une structure en matériaux composites.
À ce jour, l’intégration de fibres naturelles dans les matériaux composites se heurte encore à des difficultés d’élaboration, de caractérisation mécanique, de modélisation et de simulation.
L’objectif du projet Bio-Damping est d’apporter une solution aux trois derniers verrous. Se basant sur une campagne d’essais expérimentaux, le projet permettra une modélisation des propriétés amortissantes du pli des composites bio-sourcés laquelle sera intégrée dans un code de calcul des structures spécifique.
À cet effet, deux entreprises reconnues pour leur capacité de mise en œuvre de structures composites réaliseront les éprouvettes d’essais. La maîtrise des procédés de fabrication permettra de limiter les aléas de mise en œuvre (utilisation de fibres issues de mêmes lots, résine de qualité constante, procédés de fabrication reproductibles et en environnement maîtrisé).
Les éprouvettes ainsi réalisées permettront d’identifier, de définir et de caractériser la loi de comportement supposée (Maxwell, Zener,…) d’un pli fibres/matrice. Celui-ci tiendra compte de l’orientation des fibres et aussi de paramètres spécifiques liés à la présence des fibres naturelles (température, hygrométrie, vieillissement dû au rayonnement UV, à l’ambiance saline). L’influence du procédé de fabrication sera étudiée en comparant les propriétés mécaniques des éprouvettes obtenues par deux procédés différents : le procédé d’infusion de pré-imprégnés et le procédé de placement de fibres par un robot.
Le modèle de comportement sera intégré dans un code de calcul des structures spécifique développé au sein de l’IRDL. Ce code est dédié à la résolution de problèmes non-linéaires. Il met à disposition des algorithmes de résolution performants et robustes permettant la détermination de la réponse vibratoire (modes propres, amortissement structural) d’une structure en matériau composite. Basé sur des méthodes associant la perturbation d’ordre élevé et la technique de continuation, le code de calcul permet de mener des études paramétriques. Ainsi, une étude de sensibilité de la réponse vibratoire liée à la variabilité des caractéristiques physiques et mécaniques des fibres naturelles et des conditions d’emploi sera réalisée.
À l’issue du projet Bio-Damping, une méthodologie de conception et de dimensionnement des structures composites à base de fibres naturelles aura été établie. Associé à une démarche d’éco-conception, les solutions obtenues au cours du projet permettront à un industriel, intéressé par ces composites naturels aux propriétés incertaines, de remplacer sa production actuelle par des pièces composites bio-sourcées : il pourra choisir les orientations des fibres, dans l’empilement des plis de sa structure, en fonction de l’amortissement recherché. En relation avec l’environnement et le contexte climatique d’utilisation, les effets de température, d’hygrométrie et du vieillissement pourront également être pris en compte.