Academic literature on the topic 'Caoutchouc – Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus) – Modèles mathématiques'

Les propriétés en fatigue d’élastomères renforcés au noir de carbone sont fortement conditionnées par leurs populations d’inclusions, qui sont générées par une formulation complexe et les étapes successives du procédé de fabrication (mélangeage, injection et réticulation). L’optimisation de ces propriétés implique d’abord être capable de décrire les caractéristiques statistiques de ces populations d’inclusions en termes de nature, taille, géométrie, orientation et dispersion spatiale. Ensuite, une compréhension fine des mécanismes de ruine est requise afin de définir la criticité des inclusions en terme de tenue mécanique en fonction de leurs caractéristiques, en particulier sous chargement cyclique. Cette étude présente d’abord les outils développés, qui reposent sur une analyse fine de données de micro-tomographies aux rayons X. Les résultats obtenus sur les populations d’inclusions et l’endommagement induit par ces dernières permettent de dégager le potentiel de ces outils et leurs limites actuelles, pour les matériaux considérés. L’existence d’inclusions atypiques, qui n’avaient jusque-là jamais été recensées dans la littérature, a ainsi pu être découverte. Le mécanisme de cavitation apparaît être le plus critique vis-à-vis de la fatigue puisqu’il semble mener à des micro-fissures se propageant dans la matrice. Une comparaison de la criticité des paramètres des inclusions vis-à-vis d’un critère en cavitation est réalisée graçe à une analyse paramétrique par éléments finis. Enfin, des mesures thermographiques à l’échelle des inclusions illustrent les investiguations complémentaires nécessaires à une meilleure compréhension des mécanismes d’endommagement à cette échelle
The fatigue properties of carbon black filled elastomers are strongly related to the inclusions’ population, induced by complex recipes and the successive stages of the manufacturing process (mixing, injection and curing). The improvement of these properties involves at first an ability to describe the statistical features of these inclusions’ population in terms of nature, size, geometry, orientation and spatial distribution. Then, a detailed understanding of the damage mechanisms is required in order to define the mechanical criticality of inclusions according to their characteristics under cyclic loading. This study presents at first the tools developed, based on a detailed analysis of X-ray micro-tomography data. The obtained results on the inclusion’s populations and the damage induced allow highlighting the potential of these tools and their current limits for the studied materials. Atypical inclusions, unknown in the litterature, has been discovered. The cavitation mechanism appears to be the most critical regarding fatigue because it leads to micro-cracks that propagate in the matrix. A comparison of the criticality of the inclusions’ parameters regarding a cavitation criterion is carried out with a parametric study using finite elements simulations. Finally, thermographic measurements at the inclusions’s scale show the additional investiguations needed for a better understanding of the damage mechanisms at this scale

Trois étapes sont mises en oeuvre ici : la méthode de localisation, la fonction de dommage matériau et le processus de détermination des chargements équivalents en fatigue (CEF). De nombreux essais de fatigue ont été réalisés (415 au total) pour étudier le comportement en fatigue sous chargement multiaxial relaxant et non relaxant sur des éprouvettes de caoutchouc naturel. La durée de vie et les caractéristiques des fissures sont analysées pour finalement introduire un critère de fatigue approprié basé sur le plan critique et permettant de rendre compte de l'effet de déformation moyenne. Ce critère est généralisé à travers une méthode originale de recherche du plan critique. Pour estimer la réponse mécanique locale (méthode de localisation), une méthode de couplage des axes adaptée à la nature non linéaire des structures élastomères est proposée. Elle est basée sur la décomposition multiplicative des tenseurs du gradient de la déformation. Ces deux étapes sont ensuite mises en oeuvre dans le cadre du processus de détermination du CEF. Pour cela, une méthode d'optimisation globale est ajoutée pour déterminer les chargements simplifiés, induisant partout localement le même endommagement en fatigue dans la structure étudiée que le RLD. Le temps de calcul de cette optimisation est réduit en ne considérant qu'un sous-ensemble de points matériels, les plus endommagés, pour la détermination du CEF. Enfin, la méthode a été testée sur une éprouvette afin de souligner ses capacités et de valider l'approche
This thesis introduces an Equivalent Fatigue Load (EFL) approach for the multiaxial fatigue design of elastomeric parts. As direct Finite Element Analysis (FEA) calculations of automotive in-service loads (Road Load Data (RLD)) are too expensive, the objective is to derive simplified load blocks as a realistic input for numerical damage calculations. Three streps are applied for this method: the localization method, the material damage function and the EFL determination process. Various fatigue tests have been conducted (415 samples) to study the fatigue behavior of this complex type of relaxing and non-relaxing multiaxial loading on natural rubber specimens. Lifetime and crack features are analyzed to eventually introduce an appropriate critical planebased fatigue measure and to establish a novel mean strain effect model. This criterion is generalized throughout an original critical plane search method. To estimate the local mechanical response (localization method), this thesis identifies an axes-coupling method that is fitted for the nonlinear nature of elastomeric structures. It is based on the multiplicative decomposition of the deformation gradient tensors. These two steps are then implemented in the framework of the EFLdetermination process. For this, a global optimization method is added to determine the simplified load blocks, causing locally the same fatigue behavior in the given structure. The computational costs of this optimization are reduced by only considering a subset of the most damaged material points for EFLdetermination. Finally, the method has been challenged on a specimen to outline its capabilities and to validate the approach

L'utilisation des stratifies composites dans des structures aerospatiales de plus en plus complexes a rendu necessaire l'elaboration de modeles previsionnels du comportement mecanique de plaques composites lisses ou trouees. Dans ce cadre, cette etude concerne des stratifies en apc-2 (fibres longues de carbone et resine thermoplastique) soumis a une traction uniaxiale. Une comparaison systematique avec le composite thermodurcissable t300/914 a ete effectuee. Grace a des essais de cyclages sur divers stratifies lisses, a des mesures de deplacements plans par granularite laser sur des stratifies troues et aux suivis d'endommagement, il a ete possible d'adapter un modele de comportement elasto-plastique endommageable aux specificites de l'apc-2 et de reunir les outils necessaire a la modelisation du comportement mecanique de stratifies lisses et troues en composite thermoplastique

Ce travail porte sur la formulation héréditaire de l'approche DNLR (Distribution of Non Linear Relaxations) et sur l'étude de ses capacités à modéliser l'endommagement. Le formalisme DNLR, basé sur la généralisation de la relation de Gibbs aux systèmes hors équilibre et sur une analyse modale de la dissipation, est d'abord rappelé. Puis l'intégration des équations constitutives incrémentales conduit à la formulation intégrale de cette approche. Cette écriture sous forme de fonctionnelle reste valide pour des comportements élasto(visco)plastique et généralise le principe de superposition aux domaines non linéaires. Nous établissons ensuite un modèle isotrope prenant en compte la dégradation des propriétés mécaniques et conduisant à la ruine du matériau par perte de stabilité thermodynamique. Ce modèle est basé sur des hypothèses assez simplistes, néanmoins les premières confrontations avec des données expérimentales issues de la littérature conduisent à des résultats encourageants.

Une nouvelle modélisation, écrite à l'échelle macroscopique, est proposée pour rendre compte de quelques spécificités essentielles du comportement mécanique non linéaire des matériaux microfissurés. L'attention est notamment portée ici à la description de l'anisotropie induite par le caractère orienté des microfissures et des effets unilatéraux liés à l'ouverture-fermeture de celles-ci. La microfissuration évolutive étant le seul mécanisme dissipatif considéré, l'endommagement du matériau est caractérisé au travers de la distribution en orientation des densités de microfissures. La construction du potentiel thermodynamique s'appuie quant à elle sur la physique du phénomène considéré et sur quelques considérations d'ordre micro-mécanique, notamment pour décrire la restitution des propriétés élastiques induite par la fermeture de défauts. Enfin, le formalisme complémentaire (évolution du dommage) est établi dans un cadre strictement standard à partir de l'expression de la dissipation.

Le travail de thèse porte sur la fissuration des pastilles combustible UO2 des réacteurs à eau pressurisée, et ses conséquences sur le comportement mécanique du crayon combustible. La fissuration conduit : d’une part, à une importante relaxation des contraintes dont dépendent la plupart des autres phénomènes mécaniques et physicochimiques, d’autre part, à la fragmentation de la pastille. Sa prise en compte est nécessaire pour une description correcte du chargement mécanique de la gaine au cours de l’irradiation. L’approche locale de la rupture a été adoptée pour décrire la fissuration de la pastille. Des considérations pratiques nous ont amenés à privilégier une description quasi-statique de la fissuration du combustible à l’aide de modèles d’endommagement local. Ces modèles décrivent l’apparition de fissures par une perte de rigidité locale du matériau. Une telle description présente des difficultés de mise en oeuvre, telles que des dépendances des résultats au maillage éléments finis et des évolutions discontinues de l’équilibre de la structure lors de propagations instables. Ces points ont fait l’objet d’une attention particulière car ils conditionnent l’utilisation de tels modèles dans les études combustibles. Le travail effectué s’inscrit en support des différents schémas de calculs du code ALCYONE développé au DEC/SESC au sein de la plateforme PLEIADES. Pour chacun de ces schémas, qui se différencient par les hypothèses de modélisation géométrique du crayon, nous avons proposé une modélisation des effets de la fissuration de la pastille. La modélisation dite 2D axisymétrique du crayon combustible est la plus novatrice et a été de ce fait particulièrement étudiée. Nous montrons qu’elle est à même de rendre compte, grâce à une description appropriée de la fissuration du combustible, des principaux changements géométriques du crayon combustible intervenant en situation de fonctionnement normal ou incidentel
This thesis aims to model the cracking of pressurised water reactor fuel pellets and its consequences on the mechanical behaviour of the fuel rod. Fuel cracking has two main consequences. It relieves the stress in the pellet, upon which the majority of the mechanical and physico-chemical phenomena are dependent. It also leads to pellet fragmentation. Taking fuel cracking into account is therefore necessary to adequately predict the mechanical loading of the cladding during the course of an irradiation. The local approach to fracture was chosen to describe fuel pellet cracking. Practical considerations brought us to favour a quasi-static description of fuel cracking by means of a local damage models. These models describe the appearance of cracks by a local loss of rigidity of the material. Such a description leads to numerical difficulties, such as mesh dependency of the results and abrupt changes in the equilibrium state of the mechanical structure during unstable crack propagations. A particular attention was paid to these difficulties because they condition the use of such models in engineering studies. This work was performed within the framework of the ALCYONE fuel performance package developed at CEA/DEC/SESC which relies on the PLEIADES software platform. ALCYONE provides users with various approaches for modelling nuclear fuel behaviour, which differ in terms ofthe type geometry considered for the fuel rod. A specific model was developed and implemented to describe fuel cracking for each of these approaches. The 2D axi-symmetric fuel rod model is the most innovative and was particularly studied. We show that it is able to assess, thanks to an appropriate description of fuel cracking, the main geometrical changes of the fuel rod occurring under normal and off-normal operating conditions

Les mécanismes d'endommagement sous sollicitation monotone et pour différents taux de triaxialité (x) ont été étudiés expérimentalement. Le comportement mécanique est caractérisé en termes de composantes de l'écrouissage : contraintes effective (interactions à courte distance) et interne (interactions à longue distance) l'influence du dommage est finalement considérée via l'écriture d'un potentiel plastique pour matériaux poreux (type Gurson-Tvergaard). La fonte GS comporte plusieurs niveaux d'hétérogénéités microstructurales jouant un rôle primordial sur les cinétiques de dommage : biphasage, microtexture des grains ferritiques autour des inclusions, hétérogénéité de fraction volumique locale des particules. L'étude de l'endommagement repose sur la méthode de l'approche locale de la rupture. La germination des cavités dans la fonte est continue en fonction d'une contrainte macroscopique Z c (distribution normale de la cinétique en accord avec Chu-Needleman). Le caractère continue résulte de phénomènes d'interaction entre inclusions proches et de l'hétérogénéité de fraction volumique locale. La caractérisation de la croissance des cavités permet d'identifier les paramètres qi, q2 du potentiel de Gurson-Tvergaard. Une fraction volumique critique de dommage est finalement établie en fonction du taux de triaxialité. Cette dépendance est expliquée par des mécanismes de coalescence différents selon x. L'importance des hétérogénéités nécessite de distinguer la nature de l'écrouissage. Une modification du potentiel de Gurson-Tvergaard est alors proposée. Une excellente corrélation est obtenue entre comportements expérimental et modélisé (x = 1/3). On démontre ainsi que dans la fonte GS, seul l'écrouissage effectif est directement affecté par le dommage (constatation validée expérimentalement par des essais sur fonte initialement poreuse (décarburée)).

Modelisation du comportement de materiaux elastiques fragiles dans le cadre de l'endommagement anisotrope, on obtient les lois de comportement et la loi d'evolution de l'endommagement par un approche thermodynamique dans le cadre des materiaux standard generalises. Proposition de trois classes de modeles en traction et en compression. Illustration du comportement d'un modele choisi, applique particulierement au beton. Quelques simulations numeriques sur le calcul des plaques en beton

Une approche locale de la déchirure ductile est appliquée aux aciers ferritiques faiblement alliés. Les paramètres inclusionnaires liés aux processus d'endommagement de l'acier, tels que les distributions de la teneur inclusionnaire et de la morphologie des inclusions, sont déterminés par microscopie quantitative et calculs stéréologiques pour trois nuances d'aciers. Une modélisation de l'approche locale de la rupture ductile est utilisée pour quantifier l'influence de l'état inclusionnaire sur le comportement à la déchirure ductile des aciers.