Caractérisation in-situ et simulation numérique de la croissance de cavités dans un élastomère sous décompression de gaz

In situ characterization and numerical simulation of cavitation upon explosive decompression in a gas-saturated elastomer

• Auteur / Autrice : Julien Jaravel
• Direction : Sylvie Castagnet, Jean-Claude Grandidier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stabilité

Élasticité

Diffusion (physique)

Pression

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Cavitation

Mots clés libres

Couplage

Hyperélasticité

Résumé

Cette thèse a porté sur l'endommagement par cavitation des élastomères soumis à une décompression de gaz. Des études ont montré qu'à partir d'un niveau de chargement hydrostatique, des cavités se forment dans un élastomère. Des cavités peuvent aussi apparaître dans un élastomère saturé en gaz lorsque la pression est brusquement supprimée. Les critères développés dans un cadre purement mécanique ont été utilisés pour essayer de prédire le phénomène observé sous chargement de gaz. La première étape du travail a consisté à caractériser expérimentalement les conditions spatiales et temporelles d'apparition de l'endommagement. Une pression macroscopique de gaz ou une contrainte hydrostatique critique ne peuvent pas pleinement prédire tous les cas observés. La diffusion de gaz ajoute un aspect temporel non négligeable. Ces résultats justifient l'étude numérique diffuso-mécanique couplée à l'échelle de la cavité qui a été conduite en considérant une cavité au centre d'un échantillon hyperélastique incompressible soumis à un chargement mécanique et à une diffusion de gaz. Ce modèle de sphère creuse a permis d'observer la croissance stable de la cavité pendant un cycle complet de chargement en gaz, avec un gonflement pendant la décompression. Ce gonflement a été couplé à un critère en allongement critique de la cavité pour reproduire les courbes donnant l'instant de cavitation pour les différents essais expérimentaux réalisés. Le modèle construit au aussi permis de reproduire qualitativement et quantitativement l'effet des paramètres du cycle en gaz sur le temps d'apparition des cavités, ainsi que l'effet de l'épaisseur des échantillons, ce qui n'avait pas été fait auparavant.

This thesis was focused on cavitation damage in rubbers submitted to gas decompression. Previous studies have shown cavities appearance in elastomers when a level of hydrostatic loading is reached. Cavitation may also occur on rubbers saturated with a gas pressure when this pressure is suddenly removed. Purely mechanical criterions were used in order to predict cavitation damage observed under gas-loading. The first step of the study consisted in a temporal and spatial experimental characterization of the of the damage appearance conditions. A macroscopic pressure or a critical hydrostatic stress were not able to fully predict all experimental results. Gas diffusion adds a non-negligible temporal aspect. These results justify the coupled diffuso-mechanical study with a numerical model at the scale of the cavity. This model consisted in a cavity placed at the center of an incompressible hyperelastic sample submitted to both mechanical loading and gas saturation. This hollow sphere model has allowed observing a stable growth of the cavity during an entire cycle, with a swelling phase during decompression. A critical elongation criterion was used during this swelling phase to qualitatively and quantitatively reproduce experimental results concerning the effect of the gas cycle on the time of appearance of the first cavity. In addition, the numerical model was able taking into account the distance from the cavity to the free surface of the sample, which has never been modeled before.