Process-Induced Stresses and Deformations in Woven Composites Manufactured by Resin ...

246 Pages·2009·11.3 MB·English

Process-Induced Stresses and Deformations
in Woven Composites Manufactured by Resin
Transfer Moulding

Loleï Khoun
July, 2009

Department of Mechanical Engineering
McGill University, Montréal

A thesis submitted to McGill University
in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Doctor of Philosophy

©Loleï Khoun, 2009
-ii-
“I may not have gone where I intended to go,
But I think I have ended up where I needed to be”

Douglas Adams (1952 – 2001)
-iii-
Abstract

This work investigated the factors leading to the generation of process-induced
stresses and deformations in woven composites manufactured by Resin Transfer
Moulding (RTM). Both intrinsic and extrinsic mechanisms were examined. First,
a comprehensive methodology was applied to characterize the thermal,
chemorheological and thermomechanical properties of the CYCOM 890RTM
epoxy resin. The developed models were essential to establish a clear
understanding of the resin behaviour during the processing conditions. Then, the
thermomechanical properties of 5-Harness satin woven fabrics were investigated
using a micromechanical approach. Different fibre volume fractions between 50%
and 62%, corresponding to typical volume fractions used in the RTM process,
were examined. These thermomechanical properties were compared to the
properties of equivalent unidirectional crossply laminates in order to validate the
use of crossply configuration to model the behaviour of woven fabric laminate.
The developed resin models and the fibre properties were then implemented in a
finite element software, ABAQUS/COMPRO in order to predict the evolution of
the laminate properties during the RTM process. Fibre Bragg Grating sensors
were then used to characterize experimentally the tool-part interaction occurring
during the RTM process. The separation of the composite from the mould during
the cool down period was measured by the optical sensors. The maximal shear
stress allowed by the laminate before the debonding was estimated to be 140 kPa
for a steel mould. The observed tool-part interaction was simulated using
frictional contact conditions at the composite/mould interface in a finite element
analysis. Finally, using the ABAQUS/COMPRO interface, the manufacturing of a
composite structure by RTM was modelled, taking into account simultaneously
the intrinsic and extrinsic mechanisms examined. This case study demonstrates
the capacity of the process modelling approach to predict the process-induced
strains, stresses and deformations of three-dimensional woven composite parts
manufactured by the RTM process. The use of such a modelling tool is essential
-iv-
for industrial purposes to significantly reduce the design time and manufacturing
cost.

-v-
Résumé

Ce travail étudie les facteurs conduisant au développement de contraintes et
déformations résiduelles induites par le procédé d’injection sur renforts dans le
cas de composites à renforts tissés. Les mécanismes intrinsèques ainsi
qu’extrinsèques ont été pris en considération. Tout d’abord, une méthodologie a
été utilisée pour caractériser les propriétés thermo-chimiques et thermo-
mécaniques de la résine époxy CYCOM 890RTM. Le développement de modèles
mathématiques pour décrire les différentes propriétés est une étape essentielle
pour comprendre clairement l’évolution du comportement de la résine lors du
procédé de fabrication. Ensuite, les propriétés thermo-mécaniques d’un tissu satin
de 5 ont été examinées en utilisant une approche de micromécanique sur un motif
élémentaire. Différentes fractions volumiques de fibre entre 50% et 62%,
correspondant aux fractions volumiques de fibre typiquement utilisées pour le
procédé d’injection sur renfort, ont été étudiées. Les propriétés ont été comparées
aux propriétés obtenues pour des laminés unidirectionnels croisés équivalents. En
général, les propriétés des deux configurations sont comparables. Ceci justifie
l’utilisation des propriétés de fibre unidirectionnelle dans une configuration
croisée pour simuler le comportement d’un laminé à renfort tissé satin de 5. Les
modèles des propriétés de la résine et des fibres ont été ensuite implémentés dans
un logiciel d’éléments finis, ABAQUS/COMPRO, afin de prédire l’évolution des
propriétés du laminé pendant le procédé d’injection sur renforts. Des fibres
optiques à réseaux de Bragg ont été également utilisées pour caractériser
expérimentalement les interactions entre le composite et le moule générées
pendant le procédé. Les fibres optiques saisirent la séparation entre le composite
et le moule pendant le refroidissement. La contrainte de cisaillement maximale
que le composite peut endurer avant le décollement a été estimée à 140 kPa. Cette
interaction entre le composite et le moule a été ensuite simulée par une analyse
d’éléments finis en utilisant une condition de contact par friction à l’interface
composite/moule. Finalement, la fabrication d’une structure composite par le
procédé d’injection sur renfort a été simulée en tenant en compte, simultanément,
-vi-
les mécanismes intrinsèques et extrinsèques étudiés. Ce cas d’étude démontre la
capacité d’utiliser le principe de la modélisation de procédé pour prédire les
déformations et contraintes résiduelles générées par le procédé de fabrication pour
des pièces composite tissées tridimensionnelles. L’utilisation d’un tel outil
numérique est essentielle pour des applications industrielles afin de diminuer les
temps de conception ainsi que les coûts de fabrication.

-vii-
Acknowledgements

Je tiens tout d’abord à adresser mes remerciements les plus sincères à mon
superviseur, Prof. Pascal Hubert. Ses précieux conseils, son support et ses
encouragements tout au long du projet ont été la clé d’une expérience de
recherche enrichissante et mémorable.

I would like to deeply acknowledge Timotei Centea for his precious help for the
resin characterization. I would like also to sincerely thank Tadayoshi Yamanaka
and Dr. Krishna Challagulla for their valuable help and advice on the unit cell
analysis.

Je remercie sincèrement Jonathan Laliberté pour son aide précieuse pour les
montages expérimentaux ainsi que ses conseils tout au long du projet et son
infinie patience. J’aimerai également remercier le Dr. Véronique Michaud et le
Dr. Rui de Oliveira pour leur accueil chaleureux au Laboratoire de technologie
des composites et polymères de l’EPFL, ainsi que de m’avoir permis d’enrichir
mon expérience dans le domaine des fibres optiques.

I am grateful to Anthony Floyd and Robert Courdji from Convergent
Manufacturing Technologies Inc. for their endless help and invaluable advice with
the process modelling simulations.

Je remercie également de tout mon cœur ma famille qui m’a toujours encouragée
à aller de l’avant et à poursuivre mes ambitions. Je n’aurais pas pu arriver là où
j’en suis sans leurs constants encouragements et conseils.

I would like to gratefully thank all the members of the Composite Materials and
Structures Laboratory for their invaluable friendship and their support throughout
my studies.

-viii-
Finally, I would like to acknowledge the financial support from the Consortium
for Research and Innovation in Aerospace in Quebec (CRIAQ) and the Natural
Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). I would like
also to acknowledge the industrial and academic partner of this project: Bell
Helicopter Textron, Delastek, the Aerospace Manufacturing Technology Centre
of the National Research Council of Canada (NRC-AMTC) and École
Polytechnique.

-ix-
Table of contents

Abstract............. .................................................................................................... iv
Résumé………. ..................................................................................................... vi
Acknowledgements ............................................................................................ viii
Table of contents ................................................................................................... x
List of Figures .....................................................................................................xiv
List of Tables.... ................................................................................................ xxiv
List of Symbols ................................................................................................. xxvi
CHAPTER 1 Introduction ................................................................................... 1
1.1 Introduction ................................................................................... 1
1.2 Motivations .................................................................................... 5
1.3 Project objectives and thesis outline ............................................. 6
CHAPTER 2 Literature Review and Objectives ................................................. 8
2.1 Material behaviour during the cure ............................................... 8
2.1.1 Resin behaviour ............................................................................. 8
2.1.2 Composite thermomechanical properties .................................... 22
2.1.3 Fibre architecture behaviour ........................................................ 27
2.2 Sources of residual stresses and deformations ............................ 31
2.2.1 Thermal strains ............................................................................ 32
2.2.2 Resin volumetric cure shrinkage ................................................. 34
2.2.3 Tool-part interaction .................................................................... 36
2.2.4 Property gradients: temperature, degree-of-cure and fibre volume
fraction ........................................................................................ 38
2.2.5 Secondary effects ........................................................................ 39
-x-