Structures élastomères sous chargement cyclique : Comportement – Fatigue – Durée de vie

Elastomeric structures under cyclic loading : mechanical behaviour, fatigue and lifetime

• Auteur / Autrice : Ida Raoult
• Direction : Claude Stolz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des solides (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : François Sidoroff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Myriam Bourgeois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Roelandt, Erwan Verron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Élastomères

Caoutchouc

Résumé

L’industrie automobile utilise de nombreuses pièces en caoutchouc aux fonctions antivibratoires, dont il faut garantir la tenue en service. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une méthode pour prévoir la durée de vie en fatigue d’une structure en caoutchouc naturel chargé au noir de carbone. La démarche proposée consiste à découpler l’évolution du comportement mécanique et l’endommagement sous chargement cyclique. On suppose qu’il existe un cycle stabilisé et que la durée de vie, définie comme l’amorçage d’une fissure détectable, ne dépend que des grandeurs mécaniques évaluées sur celui-ci. Les élastomères soumis à un chargement cyclique présentent un adoucissement associé à l’effet Mullins, qui se produit surtout pendant les premiers cycles, après lesquels la réponse du matériau reste identique. On propose un modèle capable de décrire cette réponse stabilisée, ne dépendant que des variables mécaniques en régime établi. Ses paramètres sont les élongations maximales dans un nombre fini de directions matérielles, de façon à décrire l’anisotropie induite par l’effet Mullins. Ce modèle est ensuite utilisé pour analyser un grand nombre d’essais d’endurance uniaxiaux et multiaxiaux, réalisés sur éprouvettes axisymétriques. On montre qu’il permet de prendre en compte efficacement l’influence du type de contrôle ou d’une précharge. L’analyse des essais multiaxiaux ne mettant pas en jeu de renforcement, c’est-à-dire passant par l’état de déformation nul, montre que la contrainte principale maximale est suffisante pour représenter tous les cas de chargement, à l’exception de ceux qui font intervenir des phénomènes de cumul multi-plans. On propose alors une loi de cumul d’endommagement pour représenter ce type de chargement.

The automotive industry must ensure the service life of numerous rubber components used for anti vibratory purposes. This work aims at proposing a method to predict the fatigue life of a carbon-black reinforced natural rubber structure. The approach proposed here consists in uncoupling the evolution of the mechanics behaviour and damage under cyclic loading. We make the assumption that the behaviour tends to stabilize and that the lifetime, defined as the initiation of a crack, depends only on the mechanical variables in the stabilized state. Upon cyclic loading, elastomers experience a stress-softening phenomenon known as the Mullins’ effect. This phenomenon occurs mostly during the first few cycles, after which the response of the material remains unchanged by additional reloading. We propose a model to represent this stabilized state, supposed to depend only on some cyclic variables. The parameters are the maximum stretches reached in a finite number of material directions, in order to describe the anisotropy induced by the Mullins’ effect. This model is used to analyse a large number of uniaxial and multixial fatigue tests realised with cylindrical dumbbell specimens. We show its ability to take into account the type of control (force or displacement) and the influence of an initial overload. The analysis of the multiaxial data indicates that the maximum principal stress is well correlated with lifetime for all types of solicitations, excepting those which involve multi-plane cumulative damage. A cumulative damage law is proposed to account for these types of loading