Academic literature on the topic 'Mousses de polyuréthanes – Propriétés mécaniques – Modèles mathématiques'

Les butées d’amortisseur en mousse de polyuréthane sont largement utilisées dans le milieu automobile. Leur principale fonction est d’amortir les chocs verticaux aux roues et de contribuer à l’intégrité de la suspension du véhicule. La réponse mécanique de ce type de pièces implique de prendre en considération différents mécanismes, allant du flambement des parois de la pièce à l’auto-contact en passant par les non-linéarités géométriques. La caractérisation actuelle de ces butées d’amortisseur en mousse de polyuréthane en fatigue est aujourd’hui limitée au cahier des charges du client et aux tests prédéfinis par celui-ci. L’objectif de cette thèse est de mener une caractérisation expérimentale complète du comportement mécanique afin d’aboutir à l’identification d’une loi de comportement type Hyperfoam. Cette caractérisation est effectuée en s’appuyant également sur des techniques d’imagerie, MEB et tomographique, afin de caractériser le lien entre la microstructure et le comportement mécanique de la butée d’amortisseur. Cette étude doit permettre au final, de définir une démarche globale pour le dimensionnement en fatigue des butées d’amortisseur en mousse de polyuréthane
Polyurethane foam jounce bumpers are widely used in the automotive industry. Their main function is to absorb vertical shocks to the wheels and contribute to the integrity of the vehicle suspension. The mechanical response of this type of parts implies to take into account different mechanisms, from the buckling of the walls of the part to the self-contact through the geometrical non-linearities. The current characterization of these polyurethane foam jounce bumpers in fatigue is currently limited to the customer’s specifications and to the tests predefined by him. The objective of this thesis is to carry out a complete experimental characterization of the mechanical behavior in order to identify an Hyperfoam type behavior law. This characterization is also based on imaging techniques, SEM and tomographic, in order to characterize the link between the microstructure and the mechanical behavior of the jounce bumper. This study should allow to define a global approach for the fatigue design of polyurethane foam jounce bumper

Cette thèse a porté sur l'étude d'un matériau cellulaire destiné à combiner des propriétés mécaniques et acoustiques afin d'être employé pour réduire le bruit engendré par les tuyères de turbomachines. L'étude s'est focalisée sur l'élasticité et le fluage des matériaux cellulaires à base d'empilements gravitaires de sphères creuses métalliques brasées. La démarche a été de générer et de caractériser numériquement des empilements gravitaires. Ensuite, afin de permettre la simulation du comportement mécanique de ces matériaux, un modèle de calcul simplifié a été mis au point. Ce modèle a permis de caractériser numériquement les propriétés élastiques de ce type de matériaux mais n'a pas pu être utilisé pour simuler le fluage. Nous avons donc étudié le fluage de structures modèles, par des calculs en éléments finis volumiques. Cette étude a montré que, contrairement aux mousses, les matériaux à base de sphères creuses ne présentaient quasiment jamais de régime stationnaire en fluage
This thesis was about studying a cellular material intended to combine mechanical and acoustical properties in order to be used to reduce aircraft engines noise. The study focused on elasticity and creep of cellular materials based on gravity-driven packings of brazed metallic hollow spheres. The approach was, at first, to numerically generate and characterize experimental-like gravity-driven packings. Then, in order to enable us to simulate the mechanical behaviour of these materials, a simplified calculation model based on shell finite elements has been set-up. This model allowed us to numerically characterize the elastic properties of this kind of but could not be used to simulate the creep behaviour of the packings. We thus studied the creep behaviour of some model structures to assess the difference between these materials and metal foams behaviour. This study has shown that, unlike foams, hollow spheres based materials almost never display a steady creep state

Ce travail traite de la modélisation du comportement mécanique de matériaux mous, tels que les mousses liquides et les émulsions. La description de la réponse mécanique de tels milieux nécessite la prise en compte de caractéristiques complexes: élasticité aux grandes déformations, écoulement plastique se produisant au delà d'un certain seuil de contrainte. Nous proposons un nouveau modèle mécanique incluant ces caractéristiques. Une analyse mathématique du couplage entre l'équation constitutive obtenue et l'hydrodynamique est proposée. Le travail s'achève avec une étude numérique du système dans un contexte d'écoulement bidimensionnel. Les simulations reproduisent certains phénomènes observés expérimentalement, tel que la formation de bandes de cisaillement
Abstract

Les matériaux concernés sont issus de ressources renouvelables protéiniquement pauvres (amidon de farine de blé) qui sont extrudés pour différentes compositions et conditions d’extrusion. Le résultat est un polymère 100% naturel poreux en forme de tube présentant des propriétés mécaniques très sensibles aux conditions de préparation. L’objective générale de cette thèse est de développer un polymère biodégradable écologique qui pourra limiter la production des polymères issue du pétrole comme le Polystyrène expansé. Pour atteindre cet objectif, le matériau a été caractérisé en établissant la relation entre les procédés d’élaboration (conditions d’extrusion, l’effet de plastifiants), les propriétés physico-chimiques, microstructurales (épaisseur moyenne de parois, type de mousse, numéro et taille moyenne de pores) et les propriétés mécaniques. En suite, les propriétés mécaniques ont été modélisées en utilisant des lois de comportement qui décrive ces types des matériaux. La corrélation d’image était aussi utilisée pour la modélisation de comportements mécaniques.

Les matériaux polymères à structures cellulaires allient des propriétés mécaniques, thermiques, chimiques et optiques intéressantes aux regards des contraintes d’allègement des systèmes et des structures. Toutefois, pour diversifier leurs applications et les rendre toujours plus performants dans les domaines de la santé, du transport ou encore du bâtiment, une étude fine des relations qui lient les procédés de fabrication à la microstructure générée et aux propriétés qui en découlent, doit être menée. Ces propriétés mécaniques dépendent étroitement des propriétés de la matière dont les mousses sont faites mais aussi de la morphologie de leurs microstructures (orientation, distribution et taille des pores, épaisseur des parois). Il est donc crucial de pouvoir quantifier et mesurer ces paramètres pour tendre vers une compréhension fine des propriétés mécaniques et définir des modèles capables de relier le comportement macroscopique du matériau cellulaire vis-à-vis de son « équivalent » massif et de la microstructure. En collaboration étroite avec la direction recherche et développement de l’entreprise INTEREP, leader européen du caoutchouc cellulaire étanche, une caractérisation expérimentale du comportement mécanique de mousses de différentes natures polymériques et de différentes topologies à d’abord été effectuée. Ensuite un ensemble de modélisations géométriques a été développé à partir d’observations microstructurales de vraies mousses en micro-tomographie RX et à partir de microstructures générées virtuellement par le biais d’une description physique du processus de fabrication de mousses polymères. Finalement, une simulation numérique éléments finis en 2D et en 3D de ces microstructures couplées à la caractérisation expérimentale du matériau massif des parois a permis de reproduire et d’étudier finement les mécanismes de déformations observés expérimentalement sur des mousses polymères et d’affiner les lois de comportement empiriques avec la prise en compte d’un paramètre supplémentaire caractéristique de la statistique de distribution des cellules dans l’espace, c'est-à-dire de leurs localisations et de leur distribution de taille et de forme
Polymer foams materials combine mechanical, thermal, chemical and optical interesting properties going with light weighting structures problems. However, to diversify their applications and make them even more efficient in health field, transportation or building, a fine study of the relationships between manufacturing processes to generated microstructures and resulting properties must be conducted. These mechanical properties are highly depending on the properties of material with which foams are made but also on the morphology of their microstructures (orientation, distribution and pore size, wall thickness). Thus it is crucial to quantify and measure these parameters to strive for a detailed understanding of the mechanical properties and define models capable of linking global behavior of cellular materials to bulk materials and microstructures. Working closely with research and development division of INTEREP, European leader in waterproof cellular rubber, an experimental characterization of the mechanical behavior of polymer foams of different natures and different topologies has been performed first. Then geometrical modeling was developed from micro structural observations of real foams in x-ray micro-tomography and from virtually generated microstructures through a physical description of polymer foams manufacturing process. Finally finite element simulation in 2D and 3D of these microstructures were coupled with the experimental characterization of bulk material allowing thus to reproduce and finely study deformation mechanisms experimentally observed on polymer foams and refine empirical behavior laws by taking into account additional characteristic parameter of cells statistical distribution in space like their location and their size distribution and shape

La mousse de polyuréthane est un matériau cellulaire caractérisé par un spectre de propriétés mécaniques intéressant : une faible densité, une capacité à absorber l'énergie de déformation et une faible raideur.Elle présente également des propriétés telles qu'une excellente isolation thermique et acoustique, une forte absorption des liquides et une diffusion complexe de la lumière. Ce spectre de propriétés fait de la mousse de polyuréthane un des matériaux couramment utilisés dans de nombreuses applications phoniques, thermiques et de confort. Pour contrôler la vibration transmise aux occupants des sièges, plusieurs dispositifs automatiques de régulation et de contrôle sont actuellement en cours de développement tels que les amortisseurs actifs et semi-actifs. La performance de ces derniers dépend bien évidemment de la prédiction des comportements de tous les composants du siège et en particulier la mousse. D'une façon générale, il est indispensable de modéliser le comportement mécanique complexe de la mousse de polyuréthane et d'identifier ses propriétés quasi-statique et dynamiques afin d'optimiser la conception des systèmes incluant la mousse en particulier l'optimisation de l'aspect confort. Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse consiste à implémenter des modèles mécaniques de la mousse de polyuréthane fiables et capables de prévoir sa réponse sous différentes conditions d'essais. Dans la littérature, on retrouve les divers modèles développés tels que les modèles de mémoire entier et fractionnaire. L'inconvénient majeur de ces modèles est lié à la dépendance de leurs paramètres vis-à-vis des conditions d'essais, chose qui affecte le caractère général de leur représentativité des comportements quasi-statique et dynamique de la mousse polyuréthane. Pour pallier à cet inconvénient, nous avons développé des modèles qui, grâce à des choix judicieux de méthodes d'identification, assurent une représentativité plus générale des comportements quasi-statique et dynamique de la mousse polyuréthane. En effet, nous avons démontré qu'on peut exprimer les paramètres dimensionnels des modèles développés par le produit de deux parties indépendantes ; une regroupant les conditions d'essais et une autre définissant les paramètres adimensionnels et invariants qui caractérisent le matériau. Ces résultats ont été obtenus à partir de plusieurs études expérimentales qui ont permis l'appréhension du comportement quasi-statique (à travers des essais de compression unidirectionnelle) et dynamique (à travers des tests en vibration entretenue). La mousse, sous des grandes déformations, présente à la fois un comportement élastique non linéaire et un comportement viscoélastique. En outre, une discrimination entre les modèles développés particulièrement en quasi-statique a été effectuée. Les avantages et les limites de chacun y ont été discutés.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet EcOBEx, qui consiste à réduire le bruit du groupe motopropulseur rayonné à l'extérieur par l'ajout d'écrans acoustiques dans le compartiment moteur du véhicule. Les écrans acoustiques sont fabriqués par thermocompression de matériaux poreux uniformes. Les propriétés et l'épaisseur du matériau évoluent en fonction du degré de compression subit par le matériau. L'objectif de ce travail est de proposer des lois pour prédire l'évolution des propriétés des matériaux à partir du taux de compression et de leurs valeurs initiales avant compression. Dans un premier temps, on s'intéresse aux paramètres du modèle de fluide équivalent de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) : porosité, résistivité au passage d'air, tortuosité, longueurs caractéristiques visqueuse et thermique, perméabilité thermique statique. Des expressions analytiques sont proposées pour prédire la variation de ces paramètres en fonction de la compression. Elles sont développées à partir d'un modèle de matériaux fibreux à fibres cylindriques où les variations d'orientation des fibres induites par la thermocompression peuvent être prises en compte. Les résultats sont en bon accord avec les mesures effectuées sur deux types de matériaux (mousse à cellules ouvertes et fibreux). Un modèle empirique généralisé est finalement proposé pour la résistivité au passage d'air. Dans un deuxième temps, on s'attache aux paramètres élastiques dont la connaissance est essentielle pour prendre en compte la vibration du squelette. La méthode expérimentale quasistatique est d'abord appliquée pour étudier l'évolution du module de Young par rapport au taux de compression pour les fibres et les mousses. Une loi de puissance est alors proposée pour prédire ces variations. Enfin, une méthode inverse pour estimer les propriétés élastiques d'un matériau poroélastique orthotrope à partir d'une mesure vibratoire d'un écran tricouche thermo comprimé est proposée. Cette méthode permet de caractériser les propriétés élastiques du matériau poreux dans une situation proche de son application réelle
This work was carried out in the framework of the project EcOBEx, whose main objective was to reduce the passby noise by mean of acoustic shields in the engine compartment of the vehicle. The acoustic shields are manufactured by thermocompression of uniform porous materials. The material’s properties and thickness evolve according to the degree of compression experienced by the material. The objective of this work is to propose some laws to predict the evolution of the materials properties from their initial non compressed values and the compression rate. Firstly, we focus on the parameters of the Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) equivalent fluid model : porosity, air-flow resistivity, tortuosity, viscous characteristic lengths, thermal characteristic length, static thermal permeability. Some analytical expressions are proposed to predict the variation of these parameters as a function of compression. They are derived from a physical model of cylindrical fibres where the fibre orientation variations induced by the thermocompression can be taken into account. The results are in good agreement with the measurements made two types of materials (open cell foam and fibrous). A generalized empirical model is finally proposed for the air-flow resistivity.In a second part, we focus on the elastic parameters, which are necessary to take into account the vibration of the skeleton. The quasi-static experimental method is first applied to study the evolution of the Young’s modulus along the compression rate for fibrous and open cell foams. A power law is then proposed to predict these variations. Finally, an inverse method for estimating the elastic properties of an orthotropic poro-elastic material from a vibratory measurement of a thermocompressed three layer sandwich structure is proposed. This method allows us to characterize the elastic properties of a porous material in a situation close to its actual application