Modélisation mécanique des joints à composés lamellaires pour des applications sévères

Mechanical modeling of lamellar gasket compounds for severe applications

• Auteur / Autrice : Soufiane Belhouideg
• Direction : Manuel Lagache, Serge Samper
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 30/04/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et matériaux pour la mécatronique, SYMME (Annecy)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Michel Adler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alfonso San Miguel, Michel Le François
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Michel Adler, Fabien Cherblanc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perméabilité

Vermiculite

Composés lamellaires

Joints d'étanchéité

Mots clés libres

Porosité

Perméabilité

Homogénéisation

Poro-élasticité

Joint d’étanchéité

Vermiculite

Modélisation

Porosity

Permeability

Homogenization

Mechanical behaviour

Gasket

Vermiculite

Modelling

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le projet ANR Célajoas (ComposÉs LAmellaires pour les JOints en Applications Sévères) dont l’objectif est l’étude et l’optimisation de joints d’étanchéité à base de vermiculite exfoliée compactée (VEC). Ces joints d’étanchéité doivent se substituer aux joints à base de graphites pour des applications à hautes températures (800 °C) et à pressions élevées (200 bars). Des essais de mise en œuvre ont permis de mettre en évidence différents paramètres,tels que le type de vermiculite, la pression et la température de compaction sur les performances de ces joints. Les caractérisations expérimentales ont fournis des informations sur la microstructure et les propriétés de joints à base de la VEC. Ainsi, une étude par microscopie électronique à balayage, en compléments de résultats de porosimétrie mercure ont permis d’obtenir certaines caractéristiques du réseau poral. Des caractérisations expérimentales ont fournis les principales propriétés mécaniques anisotropes (modules élastiques, reprise élastique, contrainte à rupture) ainsi que la perméabilité de la VEC et donc le taux de fuite des joints à base de la VEC. Dans un souci de compréhension et d’optimisation des propriétés de ces joints, différents outils de prévisions des propriétés macroscopiques sont proposés. Tout d’abord, un modèle de prévision de la perméabilité,qui se scinde en deux étapes :a) Tout d’abord la construction du réseau poral simplifié en utilisant les résultats des caractérisations expérimentales, b) la résolution, par la méthode des éléments finis, du problème de l’écoulement du fluide à travers le milieu poreux. Les résultats numériques sont confrontés à ceux obtenus par des approches analytiques simples (du type Carman-Kozeny). L’effet de la micromorphologie et du taux de porosité sur la perméabilité sont ensuite examinés. Pour surmonter les difficultés liées à la résolution par la méthode des éléments finis, un modèle semi analytique est ensuite proposé. L’objectif de cette approche est de fournir un outil simple (type bureau d’étude) de prévision de la perméabilité de la VEC, sans avoir recours à un logiciel d’éléments finis. Enfin, pour dimensionner un joint d’étanchéité, il est indispensable de connaître les propriétés mécaniques (modules d’élasticité…) afin de déterminer, par exemple, la pression de serrage du joint. En raison des spécificités du matériau étudié (squelette isotrope transverse, taux de porosité de l’ordre de30 %), un modèle d’homogénéisation itératif, basé sur des approches analytiques classiques, est proposé pour évaluer l’influence de certains paramètres de la micro géométrie (rapport de forme des porosités, leur orientation…) sur les propriétés élastiques de la VEC.

This study deals with the study and optimization of gaskets made from compacted exfoliated vermiculite(VEC). It is a response to the need to replace gaskets made from graphite for high temperature (800 °C) and high pressure (200 bars) applications. In this work [in the aim of providing information on the microstructure and properties of VEC gaskets] experimental characterization have been conducted. The influence of different parameters such as the type of vermiculite, pressure and temperature of compaction on the performance of these gaskets has been studied. From scanning electron microscopy and mercury porosimetry results, some characteristics of the porous network have been identified. The anisotropic mechanical properties (elastic properties, elastic recovery, tensile stress), the permeability and the leakage rate of the VEC have also been characterized. Based on experimental data, a finite element (FE) predicting model for permeability evolution has been developed. This model is divided in two steps:a) using the results of the experimental characterization, the pore network is constructed; b) the problem of fluid flow through the porous media is solved by finite element method. The numerical results have been confronted with analytical models (Carman-Kozeny). The effect of micromorphology and porosity is discussed. Due to meshing problems, a semi-analytical model is also proposed. The aim of this approach is to provide a simple tool (type design office) for predict the permeability of VEC, without have recourse to finite element software. The mechanical properties are necessary to design a gasket. Eventually, thanks to specificities of the studied material (skeleton transverse isotropic, porosity of around 30%), a model of iterative homogenization is proposed to evaluate the influence of some parameters of the micro geometry (porosities ratio, orientation ...) on the elastic properties of the VEC. This work is supported by the French research national agency (ANR) through the Célajoas project (ComposÉs LAmellaires pour les JOints en Applications Sévères).