Les propriétés mécaniques des mousses polymériques à cellules ouvertes : expériences, modèle théorique et simulations numériques

The mechanical properties of open-cell polymeric foams : experiments, theoretical model and numerical simulations

• Auteur / Autrice : Giampiero Pampolini
• Direction : Michel Raous, Gianpietro Del Piero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des solides
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1 en cotutelle avec Università degli studi (Ferrare, Italie)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Volterra, Équations de

Viscoélasticité

Mousses (matériaux)

Résumé

Les mousses polymériques à porosité ouverte, lorsqu'elles sont soumises à un chargement cyclique en compression, montrent un comportement très complexe. Au cours d'essais expérimentaux, conduits sur des mousses de polyuréthane, on a observé plusieurs phénomènes remarquables : une localisation des déformations en bandes de déformation perpendiculaires à la direction de la compression ; une différence entre les courbes de réponse à la charge et à la décharge, qui donne un cycle d'hystérésis d'amplitude importante ; une perte progressive de résistance à la charge au cours des cycles ; une dépendance de la résistance à la vitesse de chargement ; un effet de mémoire caractérisé par une dépendance de la réponse à l'histoire de déformation précédente. L'objectif de ce travail de thèse est de comprendre l'origine de ces phénomènes grâce à des études expérimentaux, théoriques et numériques. Dans un premier temps, on étudie la localisation des déformations et le cycle d'hystérésis. On propose un modèle élastique non linéaire où la mousse polymérique est représentée comme une chaîne de ressorts avec une énergie de déformation non convexe. L'énergie non convexe permet aux ressorts d'avoir plusieurs configurations d'équilibre possibles (phases), et la localisation des déformations peut donc être décrite comme un changement progressif de phase des ressorts. Ensuite, on présente une extension du modèle obtenue avec l'addition de deux éléments dissipatifs, caractérisés par une loi de comportement linéaire de type Boltzmann Volterra. Enfin, pour décrire la baisse de résistance après le premier cycle, on ajoute la prise en compte d'un endommagement de la mousse.

The behavior of open-cell polymeric foams under cyclic compression is rather complex. During experiments performed by the author on polyurethane foams, several phenomena have been observed : localisation of deformations in bands orthogonal to the loading direction; difference between the response curves at loading and at unloading, that originates an important hysteresis loop; stress softening effect, that is, a progressive stress reduction in the subsequent cycles of a cyclic test; strain rate dependence, revelead by an increase of stress with increasing loading rate; memory effect, characterized by a dependence of the response curves on deformation history. The aim of this thesis is to study these phenomena by means of experiments, theorical models and numerical simulations. First, to describe strain localization and hysteresis, a model based on non linear elasticity is proposed. The foam is described as a chain of non linear elastic springs with non convex strain energy. The non convexity of the strain energy let each spring have several equilibrium configurations (phases) under a given force. This opens the possibility of describing the strain localization as a progressive change of phase of the springs. Then, we propose an extension of the previous model by adding two dissipative elements with a constitutive law of the Boltmann-Voltera simulation results and experiments are compared for different loading conditions.