Etude de la rupture dynamique des élastomères : sur le rôle joué par la viscoélasticité

Investigation of dynamic fracture of elastomers : On the role played by viscoelasticity

• Auteur / Autrice : Vasudevan Kamasamudram
• Direction : Michel Coret, Nicolas Moës
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Solides, des Matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Le Tallec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Coret, Nicolas Moës, Patrick Le Tallec, Rafael Estevez, Patrice Hauret, Julie Diani, Vito Rubino, Gergely Molnar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafael Estevez, Patrice Hauret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles de zone cohésive

Rupture, Mécanique de la

Viscoélasticité

Élastomères

Mots clés libres

Rupture dynamique

Elastomères

Fissures transsoniques

Zone cohésive

Viscoélasticité

Dynamic fracture

Elastomers

Transonic cracks

Cohesive zone

Viscoelasticity

Résumé

Cette thèse s’intéresse à la propagation d'une fissure dynamique à travers une membrane en élastomère (polyuréthane). Cette problématique a été étudiée expérimentalement au cours d’une étude précédente. Dans cette étude, sous certaines conditions de chargement, la vitesse de propagation des fissures dépasse la vitesse des ondes de cisaillement. De telles fissures sont appelées fissures transsoniques. Deux hypothèses principales ont été avancées dans littérature pour expliquer l'observation des fissures transsoniques. L'une d'elles repose sur la rigidification hyperélastique du matériau au voisinage de la pointe de fissure, tandis que l'autre repose sur le raidissement viscoélastique. Cette étude examine ces deux hypothèses et détermine que le raidissement viscoélastique est l'ingrédient nécessaire (et suffisant). La viscoélasticité linéaire finie a été utilisée en premier lieu. Dans un second temps, un modèle cohésif dépendant de la vitesse a été utilisé pour prédire la vitesse de propagation de la fissure. La vitesse de fissure s'est avérée indépendante de la hauteur de l'éprouvette au-delà d'un certain seuil. Un modèle viscoélastique non linéaire a également été mis en œuvre en supposant des conditions de contraintes planes. En utilisant cela, l'énergie dissipée dans le matériau en raison des effets viscoélastiques et l'énergie consommée par les processus de rupture ont été calculées explicitement. Les résultats montrent que la majorité de l'énergie de déformation est consommée sous forme de dissipation viscoélastique dans le matériau. L’énergie restante est consommée par les processus de rupture.

This study aims to investigate the propagation of a dynamic crack through an elastomer membrane. The crack propagation in polyurethane elastomers was studied experimentally in an earlier study. Under certain loading conditions, crack speeds in that study were found to exceed the shear wave speed. Such cracks are called transonic cracks. Two main hypotheses were put forward in literature to explain the observation of Transonic cracks. One of them relies on the hyperelastic stiffening of the material in the vicinity of the tip, while the other relies on the viscoelastic stiffening. This study examines these two hypotheses and determines that viscoelastic stiffening is the necessary (and sufficient) ingredient. Finite Linear viscoelasticity has been used in the first instance. Once this has been established, a rate-dependent cohesive model has been used to predict the crack propagation speed. The crack speed has been found to be independent of the specimen height starting from a certain threshold. A nonlinear viscoelastic model has also been implemented assuming plane stress conditions to prevail. Using this, the energy dissipated in the bulk because of viscoelastic effects and the energy consumed by the fracture processes has been explicitly computed. The majority of the strain energy has been observed to be consumed as the viscoelastic dissipation in the bulk material. The rest is taken up by the fracture processes.