Etude expérimentale et modélisation du comportement en fatigue multiaxiale d'un polymère renforcé pour application automobile

Experimental study and modeling of the fatigue behavior of a reinforced thermoplastic for automobile application

• Auteur / Autrice : Bert Klimkeit
• Direction : Yves Nadot, Sylvie Castagnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (mécanique)

Contraintes (mécanique)

Matériaux -- Fatigue

Thermoplastiques

Résumé

Cette thèse contribue à la compréhension du comportement en fatigue des thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes. Deux différents matériaux sont étudiés : un mélange de polybutylène téréphtalate et polyéthylène téréphtalate (PBT+PET GF30) et un polyamide 66 (PA66 GF35). Les enjeux scientifiques de la thèse concernent les chargements multiaxiaux, l'influence de la contrainte moyenne et l'orientation de fibres sur la tenue en fatigue. En outre, les mécanismes de rupture sont abordés au travers de techniques dédiées et ciblées ce qui a permis de proposer un scénario de rupture en fatigue pour le PBT+PET GF30. L'enjeu industriel est de développer un outil de dimensionnement en fatigue. Afin de répondre à ces objectifs, des essais de fatigue sont effectués dans le domaine de la durée de vie limitée (10³-10⁶ cycles) et à amplitude constante pour les rapports de charge de R=0,1 et R=-1. L'effet de l’orientation de fibres est étudié sur la base d’essais à différentes orientations en traction ainsi qu'en cisaillement sur des éprouvettes plates. Des chargements multiaxiaux sont appliqués à des éprouvettes tubulaires afin d'évaluer la tenue en fatigue multiaxiale. Dans le but de réduire le nombre d’essais d'identification tout en conservant les effets à décrire (triaxialité, rapport de charge et orientation), un nouveau critère est proposé. L'effet de l'orientation des fibres est simulé en utilisant l'approche de Mori Tanaka afin de calculer les contraintes moyennées. Le critère est implanté dans une chaîne de calcul allant de la mise en œuvre jusqu'à la durée de vie et il est validé sur deux matériaux et une large base de donnée expérimentale.

The doctor thesis contributes to the comprehension of the fatigue behavior of short-glass-fiber reinforced thermoplastics. Two different materials are investigated : a mixture of polybutylene terephthalate (PBT+PET GF30) and a polyamide 66 (PA66 GF35). The scientific objectives regard the influence of mean stress and of fiber orientation on the fatigue resistance. Also, the fatigue mechanisms are investigated by means of advanced observation techniques. Based on these results, a fatigue scenario is proposed for the PBT+PET GF30. The industrial objective is to develop a tool for the lifetime assessment of structures which should reduce the costs for prototypes significantly. Fatigue tests are carried out in the domain of limited lifetime (10³-10⁶ cycles) and with constant amplitude loading (R=0. 1 and R=-1). The fiber orientation influence is addressed by the means of tests at different fiber orientation angles in tension as well as in pure shear loading on flat specimens. Multiaxial loadings are applied on tubular specimens in order to evaluate the multiaxial fatigue behaviour. To reduce the tests of model identification, a novel fatigue criterion is proposed. The fiber orientation state is taken into account by means of the Mori Tanaka mean field approach. The criterion is integrated into a simulation chain which takes into account the processing of the material and the resulting stress distribution in the structure. The lifetime assessment is validated on the basis of the fatigue test data base for the two materials.