Coupled thermo mechanical characterisation of polymers based on inverse analyses and IR measurements

International audienceHeat dissipation during mechanical testing can disturb experimental characterisation of polymers. In this work it is demonstrated that these effects are not limited to extreme loading conditions such as impacts. A visco-hyperelastic, visco-plastic constitutive model is proposed that accounts for thermo mechanical coupling in a fully 3D thermodynamics approach. Strain-rate and temperature dependencies are coupled using a concept close to the well known time-temperature superposition principle. Constitutive and coupling parameters are identified at the same time using an inverse analysis protocol. An experimental data base is generated for mechanical measurements at different temperatures and strain rates but also for temperatures during tests measured using IR technology. Such a protocol allows investigation on the strain-rate sensitivity in a much more relevant manner than classical one and the value of the so-called Taylor-Quinney coupling parameter is discussed

La résistance des matériaux en pédagogie active

L'université Aix-Marseille AMU investit depuis 2012 au sein de sa cellule d'innovation pédagogique dans le développement de nouveaux dispositifs d'apprentissage. Le cursus Master Ingénierie est une nouvelle formation d'ingénieurs universitaires qui participe de cet esprit d'innovation. Cette formation forme des ingénieurs sur un cycle de cinq ans basé sur le modèle international du “master of engineering”. Dans ce double contexte, notre équipe pédagogique a suivi des formations proposées par l'école polytechnique de Louvain, nos collègues belges ont mis en place les apprentissages par problèmes (APP) lors de leur réforme en 2000. L'APP fait partie des pédagogies actives qui ont pour but de développer l'autonomie et la motivation des étudiants en donnant du sens à leur apprentissage. La méthode permet au travers d'un groupe d'apprentissage d'approfondir leurs compétences et d'acquérir des savoirs-êtres. Le premier module choisi pour mettre en place les APP est un module de master première année intitulé « Dimensionnement de mécanismes » (résistance des matériaux appliquée aux systèmes). Les pièces étudiées sont élancées (de type poutre), peuvent présenter des accidents de géométrie et sont soumises à des chargements mécaniques monotones, cyclés (fatigue) ou thermiques (thermo-élasticité). A la fin du module, les étudiants doivent maîtriser les outils de base pour le dimensionnement de pièces mécaniques et savoir modéliser un problème réel (conditions limites). Le dispositif complet se fixe comme but au travers de cinq problèmes et un projet d'atteindre l'ensemble des objectifs pédagogiques du module. Les problèmes sont conçus sur des situations concrètes, ludiques et proches des étudiants. Les évaluations sont soit formatives soit certificatives, des auto-évaluations sont fournies à chaque problème: cet ensemble permet aux étudiants de se situer en permanence par rapport aux objectifs d'apprentissage. Un exemple de problème est décrit dans l'article. Pour conclure, un retour des étudiants et une évaluation du dispositif sont présentés

A cohesive zone model for fracture initiation and propagation of fused silica direct bonding interface

International audienceFused silica direct bonding is of particular interest for optical system manufacturing for spatial applications. However, in order to validate the European Space Agency standards, a better understanding of the assemblies mechanical behavior is required. Therefore, it is important to develop some predictive tools to determine numerically mechanical strength of complex assemblies. In this paper, a cohesive zone model is proposed to model the direct bonding interface behavior. In order to determine the mechanical strength of the interface, a propagation test, and an initiation test on a free edge the cleavage test have been performed on direct bonded fused silica samples. The FIT test (Flexible Initiation Test) is also used to identify the properties of the direct bonding joint. At the end, a comparative analyses is proposed between experimental results and finite elements models of the propagation and initiation tests

GFRP beams by bonding simple panels: a low-cost design strategy

Although traditional materials (steel, concrete, timber and masonry) still dominate the building industry, new materials are constantly being explored by engineers and scientists. For instance, the use of the so-called FRPs (Fibre-Reinforced Polymers) is gradually spreading worldwide. FRPs can be qualified as non-corrosive, high mechanical strength and lightweight materials. They have achieved in the last few years a relevant role as a building material for applications regarding both the strengthening and the realization of full-composite structures. Examples of applications of FRPs are numerous [1],[2]. The first buildings made from FRP profiles were single-storey gable frames used in the electronics industry for Electromagnetic Interference (EMI) test laboratories. A five-storey building, named the Eyecatcher Building was erected for the Swiss Building Fair in 1998. The most cost-effective way of producing FRPs is the automated process of pultrusion. This process optimizes the production of bars and thin/thick-walled profiles with both closed and open cross-sections which are constant over the length. Because the industrial process is optimized for mass pultrusion of a limited number of shapes, it is difficult to produce complex shapes with standard cost targets. A low-cost design strategy inspired by modularity, able to exploit the immediate availability of “ready-to-use” standard components, plays a crucial role for the large-scale viability of FRP structures. The idea discussed in this paper is focused exactly on the possibility of achieving a complex FRP shape by bonding an appropriate number of simple pultruded shapes with a common epoxy glue. For example, a generic I-profile may be obtained by bonding three rectangular panels (the top/bottom flanges and the web panel), rather than via a unique pultrusion application. In addition, web-to-flange junctions may also be strengthened by bonding appropriate angle profiles. In this view, the possibility of considering composite profiles of a generic cross-section from simple rectangular panels would be an interesting constructive simplification. For this reason, the authors have recently initiated a large experimental investigation, still under development, in order to compare the flexural behaviour of pultruded FRP profiles with that of bonded FRP profiles. The results have shown the possibility of achieving a very good performance, in terms of both failure load and flexural stiffness, allowing us to consider the bonding system proposed as highly competitive in the field of construction of pultruded profiles

Shock characterization for fused silica glass direct bonding with a new experimental bench

 The fused silica glass direct bonding consists in joining two surfaces without using any adhesive. This technology is used in particular to manufacture optical systems like optical slicers or interferometers used in terrestrial optics. The final aim of this investigation consist to spatialize this technology. But the spatial environment is totally different from the terrestrial one. A satellite may undergo shocks, vibrations or thermal fatigue. It is necessary to characterize with accuracy the direct bonded interface under these solicitations to respect the European Space Agency requirements. In this context, a new test machine has been developed to characterize interface shock resistance. The new machine design is based on two principles. The first one, the Arcan assembly modified developed by Cognard, consists in loading an adhesively-bonded assembly with different loading types, tensile mode or shear mode. It is constituted by two half disks with several attachment points on their periphery. These attachment points allow installing the mount on a standard tensile testing machine. The second, the Beevers and Ellis testing machine, imposes a tension load on a specimen by the falling weight along a tube connected to the specimen. In our concept, we replaced the specimen in Beevers and Ellis machine by the Arcan assembly. A test campaign on the fused silica glass direct bonding has been performed with the new experimental device. The specimens are solicited by shocks in pure traction and shear mode. The aim consists in measuring the fracture energy. This energy is calculated in function of the mass and the drop height, and for all tests the drop height is the same to keep a constant speed. In order to complete the dynamic study, a static study is performed with the Arcan device on a standard testing machine in traction, shear and a mixed mode (I+II)

Estimation du comportement thermo-viscoélastique effectif des pièces composites obtenues par impression 3D-FDM

peer reviewedDans le but d’estimer le comportement effectif des pièces obtenues par le procédé de fabrication FDM pour le cas des matériaux composites à fibres courtes on a visé une méthodologie permettant la mise en place d’une procédure d'homogénéisation analytique en thermo-viscoélasticité de façon analogue à celle des matériaux élastiques linéaires ; la prise en compte de la variation des paramètres qui déterminent l’état particulier des fibres dans le filament est achevé grâce à l’introduction des fonctions de distribution obtenues via l’analyse statistique de la microstructure. La procédure d'homogénéisation a été évaluée en comparant ses prédictions aux calculs basés sur la FFT en champ complet et des résultats des essais pour des échantillons traités en autoclave, pour enlever les porosités à l'échelle des couches du filament imprimé

ESTIMATING THERMOMECHANICAL RESIDUAL STRESSES IN FDM 3D PRINTED COMPOSITE PARTS

peer reviewedWe implemented a two-step methodology to estimate the residual stresses induced by the FDM manufacturing process in 3D printed composite parts. The first step consisted in an analytical thermo-viscoelastic homogenization procedure to derive the effective behavior of the filament. The second step consisted in a coupled thermomechanical structural analysis of the part. The homogenization procedure was assessed by comparing its predictions to full-field FFT-based computations. The structural analysis was assessed by comparing its predictions to experimental results

Mean-Field Approximations in Effective Thermo-viscoelastic Behavior for Composite Parts Obtained via Fused Deposition Modeling Technology

editorial reviewedAiming to estimate the effective behavior of the parts obtained by fused deposition modeling (FDM) in the case of short fiber composite materials, the Mean-field homogenization procedure, introduced in linear elasticity, is here extended to linear thermo-viscoelasticity. The variation of the parameters describing the state of the fibers inside the printing filament is represented by introducing appropriate distribution functions obtained through the statistical analysis of the microstructure. The validation of the procedure is achieved by comparing its predictions with calculations based on full-field Fast-Fourier-Transform homogenization and experiments results from samples treated in autoclave to remove layer-scale porosities from the printed filament

Caractérisation expérimentale, procédés de mise en œuvre et modélisation de structures complexes : interfaces collées et matériaux composites

Lors de mon intégration au LMA, j’ai diversifié mes activités pour tout d’abord m’intéresser à l’adhérence moléculaire du verre pour l’optique terrestre ou spatiale, puis aux collages structuraux par adhésifs polymériques, aux matériaux composites à fibres longues et à fibres courtes, et aux méthodes d’homogénéisation en champs complets. En parallèle, je me suis aussi investi dans l’obtention et l’analyse d’images à l’aide d’un micro-tomographe à rayon X de matériaux à structures complexes et de leur analyse topologique quantitative. Plus récemment, je m’intéresse aux procédés d’impression 3D de composites à fibres courtes ou continues ainsi qu’à l’ingénierie de mise en oeuvre des matériaux composites et leurs hybridations avec les procédés d’impression 3D. Une activité naissante en collaboration avec mes collègues de l’équipe sons du laboratoire repose sur l’intégration de matériaux durables dans les instruments de musique. Elle s’attache aussi à analyser la facture instrumentale grâce à la maîtrise de la fabrication de l’instrument et à la mise en place d’outils expérimentaux et numériques d’analyse. J’ai toujours essayé de garder un lien entre le matériau, les procédés et le comportement sur structure, tout en conservant un dialogue entre l’expérimental et la modélisation

Etude expérimentale et modélisation par éléments finis du procédé de fraisage : Applications à l'identification paramétrique des lois de comportement.

Milling is among machining processes one of the most frequently used, but although milling processes operations are very used in mechanical engineering industries and as a lot of experimental results are avail-able, some essential physical phenomena present difficulties of understanding. Indeed milling is a very complex process with physical interactions between shearing, compression, ploughing, friction, very high strain rate, thermal effects and failure. Actually the machining industry needs to use new methodologies to optimise milling operations, investigations relate three main activities: * In this context, a three dimensional finite element model of milling process, using an explicit commercial code, was developed in the proposed works. The workpiece material behaviour is in a first approach described using a Johnson-Cook constitutive law. * In the same time, milling tests have been conducted to furnish cutting forces data in a shoulder milling configuration. In this way, a milling machine has been instrumented with a dynamometer linked to a specific real-time data acquisition system in order to measure milling cutting forces curves. Then, a confrontation has been led between the numerical and the experimental results. These experimental and numerical methods are here applied for a 304L stainless steel. * Finally a behaviour model parameters identification procedure has been set up with the correlation of numerical and experimental results. All results are furnished by an analytical of finite element models of milling and by the experimental measure directly in milling process. The final aim consists to obtain predictive models on a wide working zone.Le fraisage est un procédé très répandu dans les industries mécaniques et micromécaniques. Ses qualités du point de vue du rendement, de la finition et de la précision en ont fait un domaine incontournable des procédés d'usinage. La compréhension des phénomènes physiques mis en oeuvre dans l'usinage est un enjeu majeur pour l'optimisation des procédés industriels. Ces travaux concernent le couplage étroit entre simulations et expérimentations. L'objectif est d'identifier les paramètres physiques intervenant dans les lois de comportement qui seront utilisées pour la modélisation et la simulation de l'usinage. La finalité consiste à fournir une nouvelle méthodologie, ainsi que les composants logiciels associés, pour permettre l'ajustement optimal des paramètres des procédés, tout au long des phases de développement relatives à l'utilisation de nouveaux matériaux ou de nouvelles conditions opératoires. L'investigation s'articule autour de trois principales activités : * La mise en place d'une instrumentation comprenant capteurs et chaînes d'acquisitions pour permettre, la mesure des efforts nécessaires à la coupe ainsi que la visualisation des formes de copeaux et des modes de fragmentation. Cette étude expérimentale s'accompagne aussi d'une campagne d'essais de caractérisation dans différentes configurations du comportement du matériau choisi pour l'étude (l'acier inoxydable 304L). * Par la suite, le développement des simulations numériques sous LS-DYNA des procédés d'usinage en utilisant les différents résultats obtenus sur le matériau. L'objectif étant de développer un modèle numérique fiable du procédé de fraisage permettant d'obtenir des formes et des valeurs d'efforts de coupe comparables à celles observées expérimentalement. * Et pour finir, la réalisation de procédures d'identification par méthode inverse en corrélant des résultats expérimentaux et numériques provenant de modèle analytiques ou éléments finis, et en s'appuyant sur la mise en place de méthodes d'analyse de sensibilité couplées au logiciel de simulation. Afin de permettre l'ajustement optimal des paramètres des modèles intervenants dans les lois de comportement thermomécaniques du matériau témoin. L'objectif final étant d'obtenir des modèles prédictifs sur une large gamme d'utilisation