Caractérisation et modélisation des élastomères pour amortir des structures composites

Characterization and modelling of elastomers for damping composite structures

• Auteur / Autrice : Youssera El Archi
• Direction : Noël Lahellec, Stéphane Lejeunes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 08/06/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Safran Composites (Itteville, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Renald Brenner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexander Lion, Lucie Rouleau, Etienne Balmès, Bastien Tranquart, Alexandre, Alain Jouan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Méo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Viscoélasticité

Composites

Élastomères

Mécanique

Mots clés libres

Élastomères

Hyperviscoélasticité

Homogénéisation

Amortissement des composites

Rubber

Non-Linear finite viscoelasticity

Homogenization

CFRP damping

Résumé

Dans le cadre de cette thèse CIFRE avec Safran, on étudie des technologies amortissantes pour les structures tournantes des nouvelles générations de turboréacteurs afin de minimiser les effets des instabilités vibratoires comme le flottement. Les technologies d'amortissement envisagées reposent sur l'introduction d'élastomère dissipatif dans la structure soit en surface soit dans le composite au niveau de la microstructure. C'est pourquoi la première partie de ce travail est dédiée à la caractérisation mécanique du comportement d'un élastomère cible pour cette application. Cette caractérisation a consisté en des essais statiques et dynamiques sur une certaine plage de fréquences et d'amplitudes et pour différents modes de sollicitation. A partir de ces observations, un modèle de loi de comportement basé sur le modèle de Maxwell généralisé formulé en grandes déformations est proposé et permet de prédire la réponse du matériau de l'étude. Un accent est porté sur la prise en compte de l'effet Payne par une approche originale. L'identification des paramètres du modèle à la fois en temporel et en fréquentiel est réalisée à l'aide d'une méthode robuste et rapide. L'implémentation de la loi de comportement dans un code de calculs EF a permis de valider l'approche sur des simulations d'essais multi-axiaux. Puis, une étude numérique comparative de différentes solutions d'amortissement se basant sur l'introduction d'élastomère à l'échelle de la microstructure d'un composite est effectuée dans le cadre de la viscoélasticité linéaire. On compare ces solutions à une dernière technologie d'amortissement qui est mise en place à l'échelle macroscopique, le patch d'élastomère contraint

Within the framework of this thesis with Safran, we study damping technologies for the rotating structures of new generations of turbojet engines in order to minimize the effects of vibratory instabilities such as flutter. The damping technologies considered are based on the introduction of dissipative elastomer in the structure either on the surface or in the composite at the microstructure level. This is why the first part of this work is dedicated to the mechanical characterization of the behavior of a target elastomer for this application. This characterization consisted of static and dynamic tests over a certain range of frequencies and amplitudes and for different modes of solicitation. From these observations, a phenomenological model based on the generalized Maxwell model formulated in finite strains is suggested. A particular point is made on the consideration of the Payne effect by an original approach. The identification of the parameters of the model in both the time and frequency domains is performed using a robust and fast method. The model describes fairly well the behavior of the material. The implementation of the behavior law in a finite element code allowed to validate the approach on multi-axial test simulations. Then, a comparative numerical study of different damping solutions based on the introduction of elastomer at the scale of the microstructure of a composite is carried out in the framework of linear viscoelasticity. These solutions are compared to a last damping technology which is implemented at the macroscopic scale, the constrained elastomer patch