L'auto-échauffement et l'effet d'hétérogénéité des contraintes sur les thermoplastiques / élastomères renforcés

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 l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , MAT-Microstructure, Mécanique, Expérimentation - MIMEX (equipe de recherche) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-11-2019 .


  • Résumé

    Les composants polymères/élastomères sont largement utilisés dans l'industrie grâce à leur excellent rapport performance mécanique-poids. La mise au point de modèles physiquement cohérents est d'une importance primordiale pour comprendre les mécanismes de déformation, d'endommagement et de rupture pour les matériaux polymères/élastomères et composites. De plus, dans de nombreuses applications courantes, ces polymères/élastomères sont soumis à des chargements monotones ou cycliques d'amplitude et de fréquence importantes qui peuvent générer une quantité importante de chaleur. Selon le taux d'évacuation de la chaleur, un changement important de température peut survenir. Pour des raisons de simplicité, les modèles courants sont la plupart du temps découplés de l'effet de variation de la température. L'objectif de cette étude consiste à analyser de manière fine les champs de déformation/contrainte sur des éprouvettes structures (entaillées et fissurées) et d'y associer le champ de température par thermographie IR. Divers types de chargement sont envisagés: monotone, fluage, cyclique. Cette démarche nécessite une première phase expérimentale pour mesurer la dissipation thermique, résultant de différents chargements mécaniques, et la modélisation des lois de comportement des matériaux polymères et élastomères. Un modèle thermomécanique couplé sera développé et implémenté dans Z-set. Ensuite le modèle sera validé, à l'aide de calculs par Éléments Finis, au travers d'essais sur échantillons composites et élastomères renforcés avec différent taux de triaxialité. 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

    Heat build-up and stress heterogeneity effects on reinforced thermoplastics/elastomers


  • Résumé

    Polymer/elastomer components are widely used in industry due to their excellent mechanical performance-to-weight ratio. The development of physically coherent models is important for understanding the deformation, damage and failure mechanisms for polymer/elastomer materials. In addition, in many common applications, these polymers/elastomers are subjected to monotonic or cyclic loads of large amplitude and frequency which can generate a significant amount of heat. Depending on the rate of heat removal, a large change in temperature may occur. For simplicity reason, current models are mostly decoupled from the effect of temperature variation. The objective of this study is to analyze in a detailed way the strain / stress fields on structural specimens (notched and cracked) and to associate the temperature field with them by IR thermography. Various types of loading are considered: monotonic, creep, cyclic. This approach requires a first experimental phase to measure heat dissipation, resulting from different mechanical loadings, and the modeling of the constitutive laws of polymer and elastomer materials. A coupled thermomechanical model will be developed and implemented in Z-set. Then the model will be validated, using Finite Element calculations, through tests on composite samples and reinforced elastomers with different rates of triaxiality.