Dimensionnement en fatigue en présence de singularités macroscopiques dans un thermoplastique renforcé fibres de verre courtes (PA66GF50) sous chargements uni- et multi-axiaux

Fatigue Design of aShort Glass Fibers Reinforced Thermoplastic (PA66GF50) with Macroscopic Singularities Under Uni- and Multi-Axial Loadings

• Auteur / Autrice : Caroline Goutal
• Direction : Carole Nadot-Martin, Sylvie Castagnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 18/02/2020
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Franck Morel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucien Laiarinandrasana, Pierre Charrier, Gilles Robert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Bernasconi, Jean-Luc Bouvard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matières plastiques renforcées à la fibre de verre

Essais accélérés (technologie)

Éléments finis, Méthode des

Durée de vie (ingénierie)

Composites thermoplastiques

Matériaux -- Fatigue

Composites à fibres

Mots clés libres

PA66GF50

Critère énergétique

Through Process Modelling (TMP)

Chargements multiaxiaux

Singularités macroscopiques

PA66GF50

Energetic criterion

Through Process Modelling (TMP)

Multiaxial loadings

Macroscopic singularities

Résumé

Dans le contexte environnemental actuel, l’industrie automobile cherche à réduire les émissions de CO2 tout en gardant des puissances équivalentes de véhicules. Un des solutions est d’alléger les véhicules. Cette thèse CIFRE, portée par Solvay Engineering Plastics en collaboration avec Vibracoustic, s’inscrit dans ce contexte. Elle concerne la tenue en fatigue de pièces injectées en Polyamide 6.6 renforcé par 50% en masse de fibres de verre courtes, et plus précisément la prise en compte des effets induits par des chargements multi-axiaux et la présence de singularités géométriques dans le dimensionnement en fatigue. L’étude est menée sous un conditionnement fixé de température (80°C) et d’humidité relative (50%) représentatif de l’environnement moteur. Pour répondre à l’objectif précité, une méthode complètement intégrée, depuis la simulation d’injection jusqu’à la prédiction de durée de vie par critère de fatigue (Through Process Modelling (TPM)), est utilisée. Une spécificité concerne le calcul de la réponse mécanique en chaque point, à partir d’une approche multi-échelle prenant en compte la viscoélasticité de la matrice et l’orientation des fibres issue du procédé. Le critère de fatigue retenu est un critère en énergie dissipée. Le « Fatigue Indicator Parameter » (FIP) du critère est ici assimilé à l’aire de boucle contrainte-déformation en régime stabilisé, obtenue par post-traitement des champs mécaniques en chaque point de la structure.Après identification inverse de la loi de comportement de la matrice, une première partie du travail s’intéresse, sur éprouvettes lisses, à l’optimisation du degré de discrétisation de l’éprouvette dans l’épaisseur et au choix de la méthode d’identification du critère de fatigue.La méthode est ensuite appliquée à une large base de données expérimentale, construite pour les besoins de l’étude,et impliquant des éprouvettes et des chargements de complexité croissante. Dans un premier temps, le cadre est celui de chargements uniaxiaux en traction sur éprouvettes lisses (avec différentes orientations préférentielles des fibres), sur tubes puis sur éprouvettes entaillées. Puis, on s’intéresse à des chargements en cisaillement sur éprouvettes papillon et de torsion sur tubes, et enfin à des chargements de traction-torsion combinés sur tubes.Pour les différents chargements et degrés de singularité, le travail porte sur la définition d’un volume autour de la singularité sur lequel intégrer le FIP en entrée du critère de fatigue. La définition repose sur l’analyse des gradients mécaniques. Les durées de vie simulées avec la méthode TPM, associée à la définition proposée du volume d’intégration,sont ainsi proches des valeurs expérimentales dans une très grande majorité des configurations étudiées.

In the current environmental context, the automotive industry looks for reducing CO2 emissions while keeping vehicles power. To this aim, a solution is to lighten the vehicles. In this context, this Ph.D. thesis, supported by Solvay Engineering Plastics in collaboration with Vibracoustic, deals with fatigue resistance of injected parts in Polyamide 6.6reinforced by 50% wt. of short glass fibers, and attempts to take into account the effects of multiaxial loadings and geometrical singularities into a fatigue design methodology. The study is conducted for a given conditioning(RH50%,T80°C) representative of the atmospheric conditions experienced by motor mounts. A fully integrated numerical approach from injection simulation to lifetime prediction by a fatigue criterion, named Through Process Modelling (TPM), is used. One TPM specificity lies in the calculation of the local mechanical response at each point of the part from a multi-scale approach considering the matrix viscoelasticity and the fibers orientation due to the injection process. The fatigue criterion selected is a dissipated energy one. It is based on a “Fatigue Indicator Parameter” (FIP) assimilated to the stress-strain loop area in the stationary regime and obtained by post-treatment of mechanical fields at each point of the part.First, the matrix constitutive law is identified by reverse engineering. Then, the question of the discretization to be adopted in the thickness of an injected part is addressed on smooth samples, and the identification strategy of the fatigue criterion is defined. Subsequently, TPM is applied to a large fatigue database, specifically built for the study, and involving samples and loadings with increasing complexity. Uniaxial tension loadings are studied, firstly on smooth samples (with different fibers orientations), then on pipes, and finally on notched samples. Shear loadings on butterfly samples and torsion loadings on pipes are studied. At last, pipes under combined tension-torsion are considered. For each loading and each singularity level, attention is paid to the definition of a volume around the singularity onwhich the FIP should be spatially averaged. The definition relies on the mechanical gradients analysis. The TPM provides thus lifetimes predictions close to experimental ones in most of the studied configurations.