Protocole expérimental pour la caractérisation de Modèles de Zones Cohésives thermomécaniques dédiés à la rupture dynamique des résines époxy

Des Modèles de Zones Cohésives (MZC) sont employés pour simuler l'évolution du délaminage dans les matériaux Composites à Matrice Organique (CMO). Un paramètre essentiel est le taux de restitution d'énergie G qui quantifie l'énergie de rupture. Des essais normalisés en quasi-statique permettent de mesurer G. En revanche, son identification en dynamique reste délicate. L'objectif des travaux présentés est le développement d'un protocole expérimental pour la caractérisation de la décohésion dynamique des CMO. Dans cette recherche, seule la rupture cohésive des CMO est étudiée, soit la propagation inter-laminaire d'une fissure dans la matrice. La rupture d'éprouvettes épaisses de résine époxy pure est alors considérée. La résine M21 est retenue comme matériau d'étude. Étant un polymère amorphe, sa rupture implique des mécanismes visqueux qui dissipent thermiquement une partie de l'énergie de rupture. Cette quantité de chaleur Q élève la température en pointe de fissure T. Des études réalisées sur du PMMA montrent que T peut localement approcher la température de transition vitreuse. Les paramètres (v,T) semblent agir sur la ténacité des CMO en dynamique. Pourtant, les MZC qui proposent cette double dépendance sont rares et aucun n'est identifié expérimentalement. Un protocole expérimental dynamique est proposé pour caractériser le taux de restitution d'énergie à partir d’un bilan énergétique complet. Le paramètre G est déduit du champ singulier de déformation par une jauge de déformation. La chaleur Q est calculée par une mesure de température déportée dans le temps et dans l'espace du passage de la fissure grâce à des thermocouples. Sous certaines hypothèses, la connaissance de Q donne accès à T. Enfin la vitesse de fissuration v est mesurée par des jauges de fissuration. L'originalité de ce montage est la mesure simultanée des quantités (G,v,T) en cours de propagation. Ces travaux expérimentaux permettront une confrontation aux MZC de la littérature dépendant de (v,T)

Modèle viscoélastique-viscoplastique couplé avec endommagement pour les matériaux polymères semi-cristallins

Les matériaux polymères sont largement utilisés pour des applications structurelles dans le secteur automobile et leurs comportements complexes nécessitent des modèles précis pour la simulation éléments finis. Les polymères possèdent un comportement dépendant du temps et de la vitesse. La dépendance à la vitesse peut être observée par un accroissement de la rigidité et de la limite élastique en fonction de la vitesse de déformation. Le long temps nécessaire pour retrouver des contraintes nulles après sollicitation du matériau met en évidence la dépendance du temps sur le comportement. De plus, particulièrement pour les polymères chargés, le phénomène de cavitation se traduisant par la création et la croissance de micro-cavités et de microfissures conduit à un changement de volume durant la déformation. Dans ce travail, un modèle de comportement est développé pour un polymère semi-cristallin chargé de talc utilisé dans l industrie automobile. Un modèle constitutif viscoélastique-viscoplastique non-associatif avec endommagement non-local est proposé dans le but de simuler les phénomènes observés expérimentalement. Dans le modèle développé, une surface de charge non symétrique est utilisée pour prendre en compte la pression hydrostatique. La viscoplasticité non-associative couplée avec l endommagement conduit aux déformations viscoplastiques non-isochoriques caractérisées expérimentalement. Les paramètres du modèle proviennent d essais expérimentaux réalisés sous différentes conditions et a différentes vitesses de déformation. Pour ces essais, plusieurs techniques de mesure, telles que la corrélation d images et l extensommetrie optique sont utilisées pour les mesures de champs de déplacements. La bonne corrélation entre les données expérimentales et les simulations numériques mettent en évidence la précision du modèle développé afin de modéliser le comportement des matériaux polymères semi-cristallins.Polymer materials are widely used for structural applications in the automotive sector and their behaviours are complex and require accurate models for finite element simulations. Polymer materials exhibit rate and time dependent behaviours. The rate dependency can be observed by an increase of the stiffness and the yield stress at increasing strain rate. The long time to recover the zero stress after solicitation of the material highlight the time dependent behaviour. Furthermore, particularly for filled polymers, the cavitation phenomenon cause the creation and growth of micro-voids and microcracks called damage and leads to volume change during the deformation. In this work, a behaviourmodel for mineral filled semi-crystalline polymer used in automotive industry is developed. A constitutive viscoelastic-viscoplastic non-associated model coupled with nonlocal damage is proposed in order to simulate the phenomena observed experimentally. In the constitutive model, a non symmetric yield surface is used to take the hydrostatic pressure into account. The non associated viscoplasticity coupled with damage leads to the non-isochoric viscoplastic deformation characterised experimentally. The material parameters arise from experimental tests carried out under various loadings and strain rates. For these experimental tests, different measurement techniques like Digital Image Correlation and optical extensometry are used for the displacements and the strain field measurements. The good agreement between the experimental data and the numerical simulations highlights the accuracy of the developed model for polymer modelling.VALENCIENNES-Bib. électronique (596069901) / SudocSudocFranceF

Développement de compositions polymères biosourcées sur base PLA pour des applications automobiles

National audiencePLA is a bio-based and biodegradable polymer with high tensile strength and rigidity. Nevertheless, its low impact toughness and its brittleness are obstacles for a use in highly loaded parts. To overcome these drawbacks, the influence of several additives is studied. First of all, PLA plasticization by TBC leads to a marked increase of ductility, however counterbalanced by a drop of tensile strength and rigidity. The formation of copolymers PLA-impact modifier (BS) allows to increase impact toughness but not ductility. Finally, quaternary compositions PLA-BS-TBC-clay nano-reinforcements have interesting tensile and impact properties compared to a mineral filled PP frequently used for automotive applications.Le PLA est un polymère biosourcé, biodégradable et à hautes rigidité et résistance en traction. Toutefois, sa faible résilience et sa fragilité sont des obstacles à son utilisation pour des pièces fortement sollicitées. Pour y remédier, cette étude s'intéresse à l'enrichissement progressif de compositions à base de PLA. Dans un premier temps, l'ajout de plastifiant (TBC) permet une nette augmentation de la ductilité du matériau, mais dégrade les autres propriétés en traction. La formation de copolymères PLA-modificateur d'impact (BS) permet un fort accroissement de la résilience, mais pas de la ductilité. Enfin, les compositions quaternaires PLA-BS-TBC-nanocharges d'argile constituent une piste viable pour une utilisation sous fortes sollicitations, grâce à des propriétés mécaniques en traction et à l'impact prometteuses, comparées à celles d'un PP chargé, classiquement utilisé dans l'automobile

A coupled viscoelastic-viscoplastic-damage model for short fibre reinforced composites

A constitutive model of viscous behaviour of short-fibre reinforced composites (SFRC) where complex distributions of fibre orientations are taken into account is proposed in this work. The approach considered for the computation of composite macroscopic behaviour is based on an additive decomposition of the state potential. The SFRC is assimilated to an assembly of several fibre media embedded in a polymeric matrix medium. One of the main assets of this approach is the possibility to model reinforcement with complex distributions of fibre orientations. Moreover, this decomposition allows the implementation of complex behaviour laws coupled with damage models. The polymeric matrix behaviour is typically strain-rate sensitive, i.e. viscoelastic-viscoplastic. This property has to be taken into account when the modelling of the composite behaviour over a large range of strain rate is intended. Therefore, a viscoelastic constitutive model, based on a generalised Maxwell model, and a viscoplastic correction scheme, based on an overstress approach, are implemented for matrix material. The developed constitutive model is then coupled to two damage laws. The first one is introduced in the framework of Continuum Damage Mechanics in order to model the ductile damage behaviour of the matrix material. The second one deals with fibre/matrix interfacial degradation through an interfacial debonding law. In order to identify the parameters involved in the present model, experimental tests are performed (case of polypropylene reinforced with short glass fibres). Micro-computed tomography is used for the characterisation of the fibres distribution of orientation. The efficiency of the proposed model is demonstrated by comparisons between numerical and experimental responses in different loading conditions, including dynamic loadings

Current management of the gastrointestinal complications of systemic sclerosis.

Systemic sclerosis is a multisystem autoimmune disorder that involves the gastrointestinal tract in more than 90% of patients. This involvement can extend from the mouth to the anus, with the oesophagus and anorectum most frequently affected. Gut complications result in a plethora of presentations that impair oral intake and faecal continence and, consequently, have an adverse effect on patient quality of life, resulting in referral to gastroenterologists. The cornerstones of gastrointestinal symptom management are to optimize symptom relief and monitor for complications, in particular anaemia and malabsorption. Early intervention in patients who develop these complications is critical to minimize disease progression and improve prognosis. In the future, enhanced therapeutic strategies should be developed, based on an ever-improving understanding of the intestinal pathophysiology of systemic sclerosis. This Review describes the most commonly occurring clinical scenarios of gastrointestinal involvement in patients with systemic sclerosis as they present to the gastroenterologist, with recommendations for the suggested assessment protocol and therapy in each situation

Failure prediction for advanced crashworthiness of transportation vehicles.

During the past two decades explicit finite element crashworthiness codes have become an indispensable tool for the design of crash and passenger safety systems. These codes have proven remarkably reliable for the prediction of ductile metal structures that deform plastically; however, they are not reliable for joining systems and materials such as high strength steels, plastics and low ductility lightweight materials all of which are liable to fracture during the crash event. In order to improve crash failure prediction of materials and joining systems the CEC has recently funded a 3 year European research project dedicated to this topic. Specifically the project concerned aluminium, magnesium, high strength steels, plastics and two primary joining techniques; namely spotwelds and weldlines. Numerous new developments were undertaken including improved failure laws, adaptive meshing and element splitting to treat crack propagation. In the case of sheet stamping, investigations have also tried to account for process history effects and the metallurgical changes that occur during manufacture. This project has recently finished and this paper presents some of the key research results of the work concerning materials failure modelling

Caractérisation du comportement dynamique des structures collées au crash

Depuis plusieurs années, l'utilisation du collage structural connait un essor grandissant au sein de l'industrie automobile. Avec l'apparition de nouvelles colles, les capacités d'absorption d'énergie des véhicules peuvent être maintenant aussi améliorées. Pour cela, l'utilisation du collage structural doit être optimisée. Cette optimisation qui permettra de se rapprocher d'un véhicule sûr et léger ne se fera que par le biais de simulations numériques et plus précisément en utilisant la technique des éléments finis. Malheureusement, il n'existe pas aujourd'hui de modèles permettant de prendre en compte les joints collés dans les calculs de crash. Ces travaux de thèse apportent une stratégie de modélisation des assemblages collés au crash. Cette stratégie s'appuie sur deux modèles éléments finis distincts basés l'un sur une approche mésoscopique et l'autre sur une approche macroscopique. L'utilisation de tels modèles a requis l'implémentation au sein de Abaqus, d'un nouveau modèle de comportement et de rupture pour l'approche méso mais aussi d'un nouvel élément fini pour l'approche macro. L'identification des paramètres comportementaux de ces modèles est réalisée sur des essais sur colle à l'état massique. Les critères de rupture utilisés sont quant à eux identifiés sur des essais massiques pour l'approche méso et sur des essais sur assemblages pour l'approche macroscopique. Ces essais sont réalisés sur une large plage de vitesses de déformations (0.01 à 5000 s-1) en utilisant la technique de corrélation d'images. Finalement ces différentes approches sont validées sur différentes structures afin de proposer une stratégie de modélisation de structures collées au crash.Since many years, structural bonding is widely used in automotive industry. Using the new generation adhesives, the energy management capabilities of cars structures can be improved. In order to take into account these new features into automotive structures, optimal use of structural bonding is needed. This kind of optimization is only achievable with numerical simulations and especially finite elements analysis. In this context, these thesis works bring a modeling strategy of bonded structures for crashworthiness. This modeling strategy is based on two different finite element models. The first one is focused on a mesoscopic approach and the second one on a macroscopic one. These models require the development of a new material behaviour and failure model for the mesoscopic approach and a new finite element for the macroscopic one. The behaviour parameters of these approaches are identified on bulk adhesive specimens. The failure ones are identified on bulk adhesive for the mesoscopic approach and on assemblies for the macroscopic one. These tests are achieved on a wide range of strain rate (from 0.01 to 5000 s-1) using the digital image correlation technique. Finally, these approaches are validated on different structures and a modeling strategy of bonded structures for crashworthiness is then proposed.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Utilisation des matières plastiques comme surface d'échange de chaleur pour économiser l'énergie dans les procédés industriels de concentration par évaporation

On présente un procédé industriel de concentration par évaporation à multiple effet utilisant des évaporateurs à film tombant dont la surface d'échange de chaleur est constituée de gaines minces en matière plastique. Ces évaporateurs procèdent d'une conception entièrement nouvelle qui apporte une solution originale au problème de la mauvaise conductibilité thermique des matières plastiques. Un pilote de ce type d'évaporateur a fonctionné pendant quatre ans ; on en rapporte ici les résultats d'exploitation. Ce procédé, par l'économie d'investissement qu'il représente, permet de réaliser des installations plus performantes, donc plus économes en énergie

Caractérisation et modélisation du comportement d'un polymère semi cristallin au crash

Les matériaux polymères sont de plus en plus utilisés dans le secteur automobile et notamment pour les structures d absorption d énergie au choc. Un modèle de comportement pour polymères semi cristallins solides à température ambiante est proposé. Il décrit les quatre phases du comportement des polymères: la viscoélasticité, la transition élastique-plastique qui pour prendre en compte la pression hydrostatique, la viscoplasticité et enfin la rupture. L ensemble des modèles sont implémentés dans le code de calcul par éléments finis Pamcrash® pour des éléments coques. L identification des paramètres de la loi de comportement est réalisée à l aide d essais de traction et de compression à différentes vitesses de déformation (10-3 s-1 - 50 s-1). Le système expérimental est couplé à une caméra afin de réaliser des mesures de champ de déformation par corrélation d image. A partir de la mesure de ces champs de déformation, une méthode innovante (méthode SEĖ) a été développée pour établir la loi de comportement du matériau. Une approche expérimentale est réalisée par l intermédiaire d essais de traction sur éprouvettes entaillées et par des essais Arcan afin de déterminer la forme du critère de rupture en fonction du taux de triaxialité initial. Une dépendance de la déformation à rupture en fonction de la vitesse de déformation est mise en évidence. La confrontation des résultats numériques sur cas tests simples et structures industrielles avec les résultats expérimentaux mettent en valeur les améliorations, apportées par ce nouveau modèle, pour la simulation du comportement des matériaux polymères sur une grande plage de vitesses de déformation.Polymer materials are increasingly being used in the automotive sector, particularly for absorbing impact energy. A model for semi-crystalline polymers at room temperature is proposed. This model describes the four steps of polymer behaviour: the viscoelasticity is described by a Young s modulus sensitive to the strain rate, the plastic elastic transition by a Drucker-Prager plastic criterion in order to take hydrostatic pressure into account, the viscoplasticity is described by a modified G sell model with non associative plastic flow and the failure criterion is based on the stress triaxiality ratio evolution. All these models are implemented in the Pamcrash® finite elements code for shell elements. Identification of behaviour model parameters is done using tensile and compression tests at different strain rates (10-3 s-1 - 50 s-1). The experimental setup is also has a video camera to make deformation field measurements by digital image correlation. From these measurements, an innovative method (SEĖ method) has been developed to establish the law of material behaviour. An experimental approach is performed through tensile notched tests and Arcan tests to determine the shape of the failure criterion in relation to the initial ratio triaxiality stress. The fracture strain is defined as a function of the strain rate. Comparing the numerical results on simple tests and industrial structures with the experimental results highlights the improvements brought by this new model when simulating the behaviour of polymer materials over a wide range of strain rates.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Développement d'un outil de pré dimensionnement de structures sandwich soumises à des impacts à vitesse intermédiaire

Dans le cadre du développement d un outil semi-analytique de pré-dimensionnement de structures sandwich soumises à des impacts à vitesse intermédiaire (<20m.s-1), nous proposons la détermination d une solution efficace, basée sur les séries de Fourier avec des conditions aux limites générales. Les équations gouvernantes qui permettent de décrire la réponse transitoire élastique de plaques stratifiées orthotropes avec prise en compte d une loi non linéaire de contact hertzien sont développées en utilisant un schéma de discrétisation temporelle explicite. Pour les conditions aux limites générales, la solution en séries de Fourier est complétée par une série mixte de polynômes-cosinus, qui permet d aboutir à la solution, tout en permettant à la série de satisfaire les équations d équilibres ainsi que les conditions limites, de façon exacte en augmentant le nombre de termes de la série. Afin de tenir compte des phénomènes physiques locaux lors de l impact de structure sandwich, la plasticité et la rupture locale de la plaque anti-perforation sont introduites dans une formulation modifiée du contact de Hertz et l écrasement de l âme du sandwich est ajouté dans l équation d équilibre du projectile. Les solutions obtenues par cette méthode sont en accord avec les résultats par modélisation éléments finis de plaques composites multicouches impactées par un projectile. Une campagne expérimentale d impact de type box corner sur des plaques sandwich de 1m , a servi de référence expérimentale et permis la validation de ce modèle complet. Finalement, le couplage de ce modèle à un optimiseur basé sur les techniques de plans d expériences et de surfaces de réponses (métamodèles), nous a permis de choisir la meilleure structure d absorption d énergie (matériaux et géométrie) pour des structures plaques soumises à des impacts de 7kJ. Un test sur un véhicule réel avec la configuration structurelle choisie, nous a permis de valider l outil final de pré-dimensionnement et de confirmer la qualité des résultats numériques obtenus par ce modèle semi-analytique.A semi-analytical tool for the design of sandwich structures under intermediate speed loadings impact (<20m.s-1) is proposed by using an efficient solution based on the Fourier series with general boundary conditions. The governing equations, which describe dynamic elastic response of orthotropic laminates and include the non linear Hertzian contact law, are derived by means of explicit time discretization. For the general boundary conditions, the Fourier series solution is supplemented with mixed polynomial-cosine series, which allows derivation of the classical solution by letting the series satisfy exactly the governing differential equation and the boundary conditions with increased values of terms series. To take local physical behavior during sandwich structure impact into account, local plasticity and failure of the protection plate are introduced in a modified form of the Hertzian contact and the compression of the foam is added in the equilibrium equation of the projectile. The solutions obtained with this new method are close to those found by finite element simulations for impact on multilayers composite structures. An experimental campaign with one square meter sandwich structures impacted by corner box projectile is then used to validate the whole model. Finally, the best sandwich structure for energy absorption under a 7kJ impact (material and geometry) is chosen by coupling the model with an optimizer based on the metamodel approach. This solution is applied to a real vehicle and the results confirm the quality of the design of the structure.VALENCIENNES-Bib. électronique (596069901) / SudocSudocFranceF