Modèle numérique prédictif du comportement des multicouches peau-mousse-peau de polymère : Influence de la vitesse de déformation. Comparaison essais / simulations

Predictive Numerical Model of the Behavior of Polymer Skin-Foam-Skin Multilayers : Influence of the Strain Rate. Comparison Tests / Simulations

• Auteur / Autrice : Prasad Baliram Mahajan
• Direction : Jean-Claude Grandidier, Éric Lainé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 27/06/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Total (1924-1999)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Espinosa, Gregory Chagnon, Wenchao Yu, Marco Gigliotti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franco Furgiuele, Laurent Gornet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verre mousse

Tomographie

Simulation, Méthodes de

Mousses métalliques

Mousses de polymères

Microstructure (physique)

Méthodes d'homogénéisation numérique

Matériaux sandwichs

Flexion (mécanique)

Porosité

Polymères

Déformations (mécanique)

Mots clés libres

Peau-mousse-peau

Mono-matériau

Expériences de traction et de flexion

Gradient de porosité

Skin-foam-skin

Mono-material

Traction and bending experiments

Porosity gradient

Résumé

Les matériaux sandwich sont utilisés dans les industries du transport, de l'aérospatiale, de la marine et de l'automobile en raison de leur faible poids qui entraîne une réduction de la consommation de carburant, de leur grande rigidité en flexion et en cisaillement transversal et de leur résistance à la corrosion. En outre, ces matériaux sont capables d'absorber de grandes quantités d'énergie sous des charges d'impact, ce qui est une caractéristique intéressante pour les pièces automobiles par exemple. Dans la littérature, très peu d'auteurs parlent de la caractérisation de la mousse présente à l'intérieur du sandwich. Or, la mousse présente une microstructure inhomogène particulière, sans épaisseur constante et celle-ci dépend du procédé (rotomoulage ou moulage par injection). La question qui se pose est la suivante : est-il possible d'identifier le comportement global de la mousse avec des tests réalisés sur plusieurs sandwichs créés par différents procédés et différents paramètres ? Il est donc nécessaire de développer des protocoles spécifiques pour connaître la loi de comportement de la mousse à l'intérieur du sandwich. La réponse à cette question a été apportée dans le cadre du travail de thèse.La première étape consiste à développer un modèle constitutif pour la peau. Des éprouvettes de traction ont été utilisées pour identifier un modèle constitutif visco-élastoplastique prenant en compte la sensibilité à la vitesse de déformation et l'effet de la pression hydrostatique. Ces éprouvettes sont développées selon le même processus que le sandwich, et certaines sont prélevées directement sur le sandwich. DAKOTA a été utilisé pour identifier les paramètres du modèle constitutif. La qualité de prédiction du modèle constitutif est évaluée en le comparant à des essais de flexion trois points (3PB) et quatre points (4PB) sur une monocouche (Skin). Les premiers résultats sont très encourageants, il est possible de prédire le comportement de la monocouche, et par conséquent, le modèle de loi de comportement a été utilisé dans un sandwich pour identifier le comportement de la mousse.Comme la mousse est inhomogène, des tomographies sur des échantillons ont été réalisées pour caractériser les champs de porosité et la distribution du rayon des pores et de la distance minimale entre les pores, dans la couche de mousse à l'échelle de la structure. Pour réaliser cette étape, un outil en Matlab® a été développé. Un histogramme de trois quantités a été tracé pour définir la dimension du RVE de la mousse. Les données expérimentales numériques de la RVE sont générées. Après homogénéisation, les constantes du modèle constitutif ont été identifiées en utilisant DAKOTA. La relation entre la porosité et la constante de matériau d'un modèle a été construite. La dernière étape consiste à comparer la simulation numérique et les expériences du sandwich. Des tests 3PB et de compression ont été réalisés sur un sandwich. Les données expérimentales et de simulation, dans lesquelles les constantes matérielles identifiées ont été utilisées. En raison d'un problème numérique, nous n'avons pas pu comparer les données expérimentales et de simulation.

Sandwich materials are being used in transport, aerospace, marine, and automobile industries because of their low weight that put off reduction in fuel consumption, high flexural and transverse shear stiffness, and corrosion resistance. Besides, these materials are capable of absorbing large amounts of energy under impact loads, it is an interesting feature for car parts for example. In the literature, very few authors talk about the characterization of foam present inside the sandwich. However, the foam has a particular inhomogeneous microstructure with no constant thickness and this one depends on the process (rotational or injection molding). The question is: it is possible to identify the global behavior of foam with tests performed on several sandwiches created by different processes and different parameters? So it is necessary to develop specifics protocols to find out the behavior law for the foam inside the sandwich. The same has been answered in the thesis work.The first step is to develop a constitutive model for the skin. Tensile test specimens have been used to identify a visco-elastoplastic constitutive model taking into account the sensitivity to the strain rate and the effect of hydrostatic pressure. These specimens are developed using the same process as the sandwich, and some are taken directly from the sandwich. DAKOTA has been used to identify the parameters of the constitutive model. The prediction quality of the constitutive model is evaluated by comparing it with three-point (3PB) and four-point (4PB) bending tests on a monolayer (Skin). The first results are very encouraging, it is possible to predict the behavior of monolayer, and consequently, the behavior law model has been used in a sandwich to identify foam behavior.As the foam is inhomogeneous, tomography on samples are been performed to characterize the fields of porosity and distribution of pores radius and minimum distance between pores, in the foam layer at the scale of the structure. To perform this step tool in Matlab® has been developed. A histogram of three quantities has been plotted to define the dimension of RVE of foam. Numerically experimental data of RVE is generated. After homogenization constants of the constitutive model have been identified using DAKOTA. Relation between the porosity and material constant of a model has been constructed. The last step is to compare the numerical simulation and experiments of the sandwich. 3PB and compression tests have been performed on a sandwich. Experimental and simulation data, in which identified material constants have been used. Due to numerical problem, we couldn’t compare experimental and simulation data.