Couplage thermomécanique dans la durée de vie des composants polymères/élastomères

par Lili Wan

Projet de thèse en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Lucien Laiarinandrasana et de Cristian Ovalle Rodas.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) , MAT-Microstructure, Mécanique, Expérimentation - MIMEX (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2019 .


  • Résumé

    La mise au point de modèles physiquement cohérents pour prédire la réponse à la fatigue des polymères/élastomères est d'une importance primordiale pour comprendre leurs mécanismes de déformation cyclique et effectuer des simulations numériques sur des composants pour améliorer la conception et la durabilité. Un nombre important de modèles de fatigue ont été développé pour être utilisés comme des outils numériques, de type ingénierie, mais découplés aux mécanismes physiques sous-jacents, puisque la réponse constitutive utilisée pour élaborer le critère est celle du matériau vierge. Le développement de critères prédictifs de fatigue très sophistiqués est associé au développement de la théorie constitutive en tenant compte des effets de couplage thermomécanique de manière cohérente physiquement. De plus, dans de nombreuses applications courantes, les polymères/élastomères sont soumis à des chargements cycliques d'une ampleur et d'une fréquence importantes qui peuvent générer une quantité importante de chaleur et, selon le taux d'évacuation de la chaleur, un changement de température important. Toutefois, pour des raisons de simplicité, l'accumulation de chaleur n'a pas été prise en compte dans les modèles prédictifs, ce qui a entraîné une surestimation de la durée de vie des composants en élastomère et l'utilisation de facteurs de sécurité importants. Le Centre des Matériaux possède une caméra infrarouge à haute précision Δ° = 0,001 pour une large gamme de température Δ = 800°C pour mesurer la dissipation thermique résultant d'une charge mécanique ou l'évolution structurelle, bien que son utilisation semble avoir été limitée. Il est évident que cela a permis de développer des modèles mécaniques simplifiés, mais cela conduit à une perte d'information du phénomène associé. Afin de développer les compétences et les connaissances associées à l'utilisation systématique d'une caméra infrarouge et le post-traitement de résultats, des tests de fatigue avec caméra infrarouge intégrée seront effectués à différents niveaux de déformation et fréquences. L'effet de la température sur la réponse mécanique du matériau sera étudié en effectuant des essais de fatigue à différentes températures. Ce type de tests de fatigue n'est pas très commun, raison pour laquelle les résultats sont rares et intéressants. A partir des résultats, il sera possible de proposer un modèle thermomécanique qui tienne compte du vieillissement thermique, de l'accumulation de chaleur, pour estimer la durée de vie des composants en élastomère à température ambiante avec des effets dissipatifs. La présente étude sur le vieillissement et la durabilité des polymères/élastomères (postdoctorat R. BOUAZIZ) enrichira le modèle thermomécanique proposé. Ensuite, deux objectifs scientifiques sont considérés : - Proposer un protocole expérimental pour déterminer la durée de vie des composants en élastomère avec l'intégration du vieillissement thermique du phénomène d'accumulation de chaleur due au couplage thermomécanique ; - Développer des modèles de simulation thermomécanique permettant de prévoir l'accumulation de chaleur due à la fatigue ainsi que le développement de modèles de prévision de la durée de vie, y compris le vieillissement thermique résultant de l'accumulation de chaleur.

  • Titre traduit

    Thermomechanical coupling on the lifetime of rubber components


  • Résumé

    The development of physically consistent predictive models for the fatigue response of rubbers is of prime importance in order to understand their cyclic deformation mechanisms and to perform numerical simulations on rubber components, for design and durability performance improvement. An important number of fatigue models have been developed to be used as practical engineering-like numerical tools but uncoupled with the underlying physical mechanisms, since the constitutive response used to elaborate the criterion is that of the virgin material. The development of highly sophisticated fatigue predictive criteria is associated with the development of constitutive theory taking into account the thermomechanical coupling effects in a physically consistent way. Moreover, in many common applications, rubbers are subjected to cyclic loading with significant magnitude and frequency which may generate a significant quantity of heat and, depending on the heat removal rate, a significant temperature change. However, for simplicity reasons, the heat build-up has not been taken into account in predictive models resulting in an over-estimation of lifetime of rubber components and the use of significant security factors. The Centre des Matériaux possess an infrared camera with high accuracy ±Δ° = 0.001 for a wide temperature range Δ = 800°C to measure the thermal dissipation resulting from mechanical loading or micro-structural evolution, although its use seems to have been limited. Obviously, it has made possible to develop simplified mechanical models; however, this leads to an information loss of the associated phenomenon. In order to develop the skills and knowledge associated with the systematic use of an infrared camera and the results post-treatment, fatigue tests with integrated infrared camera will be carried out at different deformation levels and frequencies. The effect of temperature on the mechanical response of the material will be studied by carrying out fatigue tests at different temperatures. This type of fatigue tests is not very common, reason why the results are rare and interesting. From the results, it will be possible to propose a thermomechanical model which accounts for the thermal ageing, from the heat build-up, to estimate the lifetime of rubber components at room temperature with dissipative effects. A present study about ageing and durability of rubber (post-doc R. BOUAZIZ) will enrich the proposed thermomechanical model. Then, two scientific objectives are considered: - Propose an experimental protocol to determine the lifetime of rubber components with integration of the thermal ageing from the heat build-up phenomenon due to the thermomechanical coupling. - Develop thermomechanical simulation models allowing the prediction of the heat build-up due to fatigue as well as the development of lifetime prediction models including the thermal ageing from the heat build-up.