Comportement mécanique d’une mousse fragile. Application aux emballages de transport de matières dangereuses

Mechanical behavior of brittle foam. Application for packaging and transport of radioactive materials

• Auteur / Autrice : Omar Kraiem
• Direction : Nicolas Schmitt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 02/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Président / Présidente : Yves Berthaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Schmitt, Yves Berthaud, Philippe Viot, Éric Deletombe, Han Zhao, Amine Neffati, Marie Houillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Viot, Éric Deletombe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Propriétés mécaniques

Mousses (matériaux)

Mots clés libres

Absorption de choc

Mousse fragile

Compression multiaxiale

Mécanismes de déformation

Surface de charge

Modélisation mécanique

Shock absorption

Brittle foam

Multiaxial compression

Deformation mechanisms

Yield surface

Mechanical modelling

Résumé

Les mousses fragiles font aujourd'hui partie des nouveaux matériaux très performants dont le procédé de fabrication permet un contrôle précis de la microstructure finale. De nouveaux débouchés apparaissent dans des applications structurales (absorption de choc, allègement des structures) en raison de leur excellente tenue mécanique alliée à une grande légèreté. Dans les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse, une mousse carbone à cellules ouvertes a été étudiée dans le but d'être utilisée pour assurer la protection des capots de protection d'emballages. Le comportement mécanique en compression a été caractérisé sous des sollicitations uniaxiales et multiaxiales. La surface de charge de la mousse ainsi que son évolution au cours du chargement ont été identifiés. Les principales propriétés mécaniques ont été évaluées et certaines d'entre elles ont été corrélées avec celles prédites par le modèle micro-mécanique de Gibson et Ashby développé pour les mousses fragiles. Grâce aux observations post-mortem sous microscope électronique à balayage et en micro-tomographie aux rayons X, les mécanismes de déformation et d'absorption d'énergie ont été également caractérisés. Pour modéliser le comportement multiaxial en compression de la mousse carbone, considérée comme un milieu continu homogène et isotrope, le modèle de Deshpande et Fleck (DF) a été adopté et adapté. Ce modèle a été implanté dans le code éléments finis LS-DYNA. Il a été identifié et validé sur l'ensemble des essais triaxiaux disponibles ainsi que sur des essais d'écrasement de mini-structure. Le comportement macroscopique global, obtenu à l'aide de simulations numériques, est prédit de manière satisfaisante. Il sera amélioré par la suite pour prendre en compte certains aspects non décrits actuellement.

Due to improvements in the manufacturing process that allow a better control of their microstructure, brittle foams are now part of the new efficient materials. New markets in the field of structural applications open up thanks to their excellent mechanical properties combined with light weight.In this study, a carbon foam with open cells has been studied in order to be used as shock absorber in packagings. Its compressive mechanical behavior has been characterized under various uniaxial and multiaxial loadings. The carbon foam yield surface and its evolution during loading have been identified. The main mechanical properties have been evaluated and some of them have been correlated with those predicted by the Gibson and Ashby micromechanical model. The mechanisms of deformation and the energy absorption have been studied using post-mortem observations by scanning electron microscopy (SEM) and X-Ray microtomography.The Deshpande and Fleck model (DF) has been adopted and slightly modified to model the compressive multiaxial behavior of the carbon foam. The latter is considered as an homogeneous continuum medium. The constitutive equations have been implemented in the finite element code LS-DYNA via a Umat routine. The model parameters have been identified and the model estimations validated on available triaxial tests as well as on crushing tests made on micro-structures. Numerical simulations are relevant on predicting the global macroscopic behavior. Nevertheless, the mechanical model needs to be improved to better account for some phenomena not currently described.