Modélisation et simulation du comportement micromécanique du polyéthylène semi-cristallin : effet de l'interphase

Modeling and simulation of the micromechanical behavior of semi-crystalline polyethylene including the effect of interphase layer

• Auteur / Autrice : Akbar Ghazavizadeh
• Direction : Saïd Ahzi, Yves Rémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2013
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Moussa Naït Abdelaziz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucien Laiarinandrasana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fodil Meraghni, Sébastien Mercier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Simulation par ordinateur

Déformations (mécanique)

Viscoplasticité

Propriétés mécaniques

Polyéthylène

Mots clés libres

Polyéthylène semi cristallin

Interphase

Micromécanique

Caractérisation mécanique

Analyse d’incertitude

Optimisation des fonctions coûts

Comportement viscoplastique

Contrainte de rappel

Loi d’interaction

Semicrystalline polyethylene

Interphase layer

Micromechanics

Mechanical characterization

Uncertainty analysis

Optimization of cost functions

Viscoplasticity

Back stress

Localization law

Résumé

Dans ce travail, la caractérisation mécanique de l’interphase entre les zones amorphes et cristallines dans le polyéthylène a été abordée. La caractérisation élastique est effectuée en appliquant deux approches micromécaniques à partir des données de la simulation moléculaire pour la zone interlamellaire. Ces approches micromécaniques sont d’une part le modèle étendu d’inclusion composite, et d’autre part la méthode de double inclusion. Les résultats des deux approches s’accordent parfaitement. Il a été mis en évidence que le tenseur de rigidité de l’interphase n’est pas défini positif, l’interphase est donc mécaniquement instable. La comparaison avec les résultats expérimentaux valide la méthodologie proposée. Pour la caractérisation hyperélastique, l’algorithme hybride proposé consiste à appliquer la loi de comportement d’un milieu continu isotrope, compressible et hyperélastique aux résultats de la simulation de la dynamique moléculaire d’un élément unitaire de polyéthylène. La notion d’optimisation d’un ensemble de fonctions coûts non négatives est l’idée clé de cette partie. Les paramètres hyperélastiques identifiés sont en bon accord avec ceux qui ont été estimés expérimentalement. L’évolution des frontières de l’interphase avec la déformation est le second résultat de cette analyse. La fin du travail est dédiée à la simulation numérique de la grande déformation viscoplastique d’un agrégat de polyéthylène. Le modèle de Gent adopté pour la contrainte de rappel, le tenseur de projection proposé pour l’approche modifiée de Taylor, et l’optimisation multiniveau font parties des contributions apportées.

Elastic characterization of the interphase layer in polyethylene is implemented by applying the relationships of two micromechanical approaches, “Extended Composite Inclusion Model” and “Double-Inclusion Method”, to the Monte Carlo molecular simulation data for the interlamellar domain. The results of the two approaches match perfectly. The interphase stiffness lacks the common feature of positive definiteness, which indicates its mechanical instability. Comparison with experimental results endorses the proposed methodology. For the hyperelastic characterization of the interlamellar domain and the interphase layer, the proposed hybrid algorithm consists in applying the constitutive equations of an isotropic, compressible, hyperelastic continuum to the molecular dynamics simulation results of a polyethylene stack. Evolution of the interphase boundaries are introduced as auxiliary variables and the notion of minimizing a set of nonnegative objective functions is employed for parameter identification. The identified hyperelastic parameters for the interlamellar domain arein good agreement with the ones that have been estimated experimentally. Finally, the large, viscoplastic deformation of an aggregate of polyethylene is reexamined. The Gent model adopted for the back stress of the noncrystalline phase, correcting the projection tensor for the modified Taylor approach, and the idea of multilevel optimization are among the contributions made.