Etude par tomographie X et modélisation par éléments finis du comportement mécanique des mousses solides

Abstract

Les mousses constituent une classe de matériaux très importante de part leur champ d application (allégement de structure, protection contre les chocs, isolation thermique et sonore, etc ) et leur poids économique qui se situe au niveau de l'aluminium ou du verre. Le besoin d'optimiser les performances et d'améliorer la sécurité nécessite que l'on ait une bonne connaissance de la relation entre leurs propriétés et leur microstructure. L'apparition de techniques expérimentales permettant de caractériser en 3D la répartition de la matière (tomographie X) puis son comportement sous sollicitations mécaniques (essais in situ), et la nécessité de mieux comprendre pour pouvoir optimiser ces matériaux, motivent les nouveaux outils présentés dans ce travail de thèse. Dans ce cadre général, l'objectif particulier de cette thèse est la compréhension des mécanismes qui interviennent lors de la déformation des mousses et le développement d'un outil de modélisation capable d'en rendre compte de manière prédictive. Le problème central auquel nous nous sommes attaqués est la décorrélation des rôles respectifs de la nature du matériau et de l'arrangement spatial de la phase solide. Notre démarche s'est scindée en deux parties. Une partie expérimentale dont le but est de caractériser mécaniquement et morphologiquement une mousse modèle de polyuréthane. Une partie modélisation qui vise à mettre au point un outil numérique capable de rendre compte de la structure réelle de la mousse. Les deux parties se rejoignent enfin pour valider la technique de modélisation à partir des observations expérimentales. Une foi validée, la technique de modélisation est appliquée à d'autres types de mousses et en particulier des mousses d'aluminium de faible densité à cellules ouvertes et fermées. La technique de modélisation est par la suite mise à profit pour étudier l effet des propriétés du matériau solide sur le comportement des mousses à travers la variation des paramètres d'entrée des modèles étudiés ainsi que leur comportement sous d'autres modes de sollicitation que la compression notamment en traction, en torsion et sous chargement multiaxial.The mechanical properties of cellular materials are related to their micro-structure. In fact, macroscopic stresses are the consequence of stresses in the cell wall and struts and of stresses in the cell walls and struts and of the cell failure mechanisms. In the present work we perform tomography during in situ compression tests on different type of foams to inspect the 3D-microstructure and deformation mechanisms. We also present a method to transform large data images of actual microstructures into a tetrahedral mesh, which will be used to model the mechanical behaviour by the finite element method. We finally confront computation results and in situ observations to validate the model. X-ray Computed Micro Tomography (XRCMT) has been widely used recently as a non-destructive technique that gives picture of the interior of cellular solids. This allows studying architectural parameters and, when coupled with in situ loading tests, deformation mechanisms of foams. Local deformation mechanisms of closed cell foam have been studied during compression experimentally by X-Ray tomography and numerically by FEM. The presence of elastic buckling and plastic yielding of foam walls was observed. The combination of effective e modelling tools gives attractive opportunities to build sufficiently large data model to represent the foam structure. Once the modelling technique was validated, we use it to study the effect of various bulk material properties for a same microstructure of the foam on the mechanical behaviour. The mechanical response of these foams was also studied numerically under various uniaxial loads configuration and multiaxial loading.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF