Caractérisation expérimentale et modélisation numérique du comportement vibratoire des matériaux polymères chargés en fibres courtes : Application à un carter d’huile de Groupe Moto-Propulseur thermique d’automobiles

Experimental characterization and numerical modeling for the vibratory behavior of short fiber reinforced polymer materials : Application to an automotive powertrain oil pan

• Auteur / Autrice : Mehdi Zerrad
• Direction : Nicolas Totaro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 19/07/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique (Lyon, INSA) - Laboratoire Vibrations Acoustique / LVA
• Jury : Président / Présidente : Manuel Collet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Totaro, Manuel Collet, Jean-François Deü, Thomas Dupont, Nadia Bahlouli, Renaud Rinaldi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Deü, Thomas Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Automobiles -- Moteurs -- Pièces

Mots clés libres

Automobiles

Consommation de carburant

Vibro-Acoustique

Matériaux polymères

Modélisation numérique

Viscoélasticité

Réponse vibratoire

Automobiles

Fuel consumption

Vibro-Acoustics

Polymer materials

Numerical modeling

Viscoelasticity

Vibratory response

Résumé

Les normes européennes d'émissions de CO2 étant de plus en plus contraignantes, les constructeurs automobiles cherchent, entre autres, à alléger leurs véhicules pour en diminuer la consommation. Ainsi, le remplacement des pièces métalliques par d'autres réalisées à partir de matériaux moins denses tels que les matériaux composites polymères chargés en fibres courtes est de plus en plus utilisé dans l'industrie automobile. Cependant, lors du processus de conception, les ingénieurs sont confrontés à des difficultés lors de la modélisation numérique de la réponse vibro-acoustique de ces pièces et/ou assemblages. En effet, ces matériaux sont très sensibles aux paramètres extérieurs tels que la température, la fréquence de sollicitation et l’humidité. De surcroît, leur comportement dépend également du procédé d’injection utilisé qui influe sur leur microstructure et plus particulièrement sur l’orientation et la dispersion des charges renforçantes. De fait, leur modélisation numérique est complexe et la confrontation aux mesures expérimentales non satisfaisante. Dans ce travail de recherche, l'influence des paramètres ambients sur le comportement dynamique d'un carter d'huile réalisé en polyamide 6 renforcé à 35\% en masse de fibres de verre a été étudiée. Les caractérisations mécaniques et microstructurales locales ont été effectuées afin d'investiguer les relations entre la microstructure et les propriétés de ces matériaux. Un modèle numérique a alors été développé sur la base de ces études expérimentales et a permis d’évaluer l'influence de la microstructure sur le comportement vibratoire d'un système modèle ''plaque''. Enfin, des corrélations calculs/essais ont été réalisées pour confronter la méthode de modélisation numérique aux mesures. Ces études ont permis de mettre en exergue la sensibilité de ces matériaux à leur environnement, d’établir une hiérarchisation de l'influence des différents paramètres sur leur comportement vibratoire et de proposer une méthodologie numérique basée sur la caractérisation expérimentale des éléments constitutifs pris séparément.

As European standards for CO2 emissions are becoming more stringent, car manufacturers are seeking, among other strategies, to lighten their vehicles to reduce their consumption. Thus, the replacement of metal parts by others made from lighter materials such as polymeric composite materials filled with short fibers is increasingly used in the automotive industry. However, during the design process, engineers face difficulties when trying to numerically model the vibro-acoustic response of these parts and / or assemblies. Indeed, these materials are very sensitive to external parameters such as temperature, loading frequency and humidity. In addition, their behavior also depends on the injection process which has an influence on their local microstructure and more particularly on the orientation and dispersion of the reinforcing fillers. In turn, their numerical modeling is complex and the comparison with the experimental measurements unsatisfactory. In this research work, the influence of the ambient parameters on the dynamic behavior of an oil pan made of polyamide 6 reinforced with 35\% by mass of glass fibers was studied. Local mechanical and microstructural characterizations were performed to investigate the relationship between the microstructure and the properties of these composite materials. A numerical model was then developed on the basis of these experimental studies and allowed to evaluate the influence of the microstructure on the vibratory behavior of a model plate system. Finally, computation / test correlations were performed to compare the numerical modeling method to the measurements. These studies have made it possible to highlight the sensitivity of these materials to their environment, to establish a hierarchy of the influence of the various parameters on their vibration behavior and to propose a ''low cost'' numerical methodology based on the experimental characterization of constituent elements taken separately.