Towards materiel by design : a micromechanical approach

• Auteur / Autrice : Michaël Haberman
• Direction : Mohammed Cherkaoui, El Mostafa Daya
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Metz
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMM - Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux - FRE 3236

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux viscoélastiques

Amortissement (mécanique)

Micromécanique (ingénierie)

Mots clés libres

Conception des matériaux

Micromécanique

Amortissement de l'énergie acoustique

Matériaux composites viscoélastiques

Résumé

Ce travail présente la modélisation du comportement amortissant macroscopique des matériaux composites viscoélastiques particulaires dans la domaine fréquentielle quasi-statique à partir d’une méthode micromécanique auto-cohérent (AC). Le travail de cette thèse a deux objectives principales. Le premier objective consiste de la dérivation et développement d’une modèle multi-échelle (micro �� macro) robuste du comportement dans la domaine quasi-statique. A cet effet le modèle auto-cohérent introduit par Cherkaoui et al [J. Eng. Mater. Technol. 116, 274-278 (1994)] est étendu au domaine quasi-statique grâce au principe de correspondance élastique – viscoélastique et des considérations sur l’énergie de déformation. Le modèle est généralisé en appliquant une formulation par tenseurs de concentration des déformations diluées et validé par comparaison avec les données expérimentales statiques et acoustiques bien que les modèles établis. Notamment, une forte correspondance est observée entre les mesures acoustiques de l’indice d’affaiblissement acoustique et prédictions employant le modèle AC dû à un polymère contenant des micro-inclusions enrobées submergé dans l’eau. Le deuxième objective de ce travail est une étude du modèle AC comme utile dans une stratégie de la conception des matériaux à forte absorption d’énergie acoustique. Le sujet est abordé avec une étude de cas du comportement amortissant d’une structure multi-échelle en forme d’une plaque sandwich sollicité en vibration. La modélisation consiste en une hiérarchie des modèles. Les études paramétriques sur le comportement à l’échelle de la structure et d’élément structurelle rendre les informations importantes sur la conception des matériaux constituants des plaques sandwiches. Finalement, le travail emploie le modèle AC afin de quantifier et discuter l’influence les effets de la composition micro-structurelle des matériaux constituants sur le comportement structurelle de la plaque sandwiche. Pour conclure, les résultats importants et contributions des ce travail sont résumés et les perspectives sont présentés.

This work focuses on the micromechanical modeling of particulate viscoelastic composite materials in the quasi-static frequency domain to approximate macroscopic damping behavior. The work has two main objectives. The first objective is the development of a robust multi-scale (micromacro) model in the quasi-static domain. For this purpose, the static three phase self-consistent (SC) model introduced by Cherkaoui et al [J. Eng. Mater. Technol. 116, 274-278 (1994)] is extended to the quasi-static domain based on the elastic-viscoelastic correspondence principle and strain energy arguments. The model is then generalized by employing dilute strain concentration tensor formulation and validated by comparison with acoustic and static experimental data and established models. Notably, strong agreement is found between experimental acoustic transmission loss measurements and SC model estimates for a polymer containing coated micro-inclusions. The second objective is a study of the SC model as a tool for the design of high loss materials. This objective is met by presenting a case study of the lossy behavior of a multiscale structure in the form of a vibrating sandwich plate representing an automobile windshield. This multiscale structure is modeled with a nested hierarchy of models which is validated by comparison with finite element approximations. Parametric studies of damping behavior at structural and part length scales are performed which provide information for the design of constituent sandwich plate materials. The effects of microstructural variation on structure level damping predicted by the SC model are quantified and discussed. The work concludes by summarizing important results and contributions and giving perspectives and suggestions for future work.