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Critère de rupture généralisé pour les élastomères vulcanisables et thermoplastiques

type de publication      thèse de doctorat
date de publication 08-11-2006
auteur(s) Hamdi Adel
jury Moussa Nait Abdelaziz;Ait Hocine Nourredine;Vallée Claude;Fond Christophe;De Saxcé Gery;Pluvinage Guy;Heuillet Patrick
école Université de Lille 1
  
résumé Ce travail de thèse a été effectué au Laboratoire de Mécanique de Lille dans le cadre d’un projet dénommé « CRITEL », soutenu par le ministère de l’industrie (DIGITIP). L’objectif de ce mémoire était de définir un critère de rupture généralisé valable pour les matériaux vulcanisables et thermoplastiques. Ce critère permettra de dimensionner les structures en élastomères, travaillant dans des conditions extrêmes de sollicitations, par rapport à leurs propriétés limites. Pour ce faire, la démarche que nous avons adoptée s’est traduite par la division du travail en deux parties : la 1ère traite les pièces « minces » où le chargement est de types contraintes planes, la 2ème est consacrée aux pièces « volumiques » pour lesquelles l’effet de la pression hydrostatique doit impérativement être pris en compte. Sur la base d’une importante campagne d’essais uni et biaxiaux, nous avons développé un critère de rupture basé sur les déformations principales logarithmiques, appelé critère hyperbolique amélioré (Hc). Ce critère, validé avec succès sur quatre types d’élastomères (NR, SBR, TPE et PU), peut être facilement identifié à partir de deux essais mécaniques de traction uniaxiale et de traction équibiaxiale. Ensuite, nous avons mené une étude expérimentale complémentaire en utilisant des éprouvettes contenant des fissures à différentes orientations. A l’aide d’une analyse numérique détaillée par la méthode des éléments finis (MEF), via le logiciel « ANSYS », nous avons montré que (Hc) permet aussi de régir l’amorçage des pièces préfissurées. Par ailleurs, nous avons proposé un critère de prédiction de la direction de propagation de fissure pour les deux matériaux vulcanisables NR et SBR. Dans le cas des pièces « volumiques », la rupture est principalement due à l’apparition et à la croissance de micro vacuoles au sein du matériau. En effet, nous avons confirmé à travers des résultats de mesure de variation de volume, d’analyses par tomographie aux rayons X et d’examens de faciès de rupture, menés sur des éprouvettes disques en SBR, que sous une forte dépression hydrostatique des cavités apparaissent dans le matériau et produisent sa rupture. Ensuite, à partir de calcul numérique par la MEF, réalisée avec le logiciel « MSC MARC », nous avons montré que pour les éprouvettes de facteurs de forme importants, les cavités apparaissent au cœur de l’échantillon pour des niveaux de dépression hydrostatique identiques. De plus, nous avons remarqué que le critère de cavitation théorique, basé sur une valeur de pression critique pc = 5E/6, donne des résultats assez satisfaisants dans le cas du matériau SBR. En revanche, pour les éprouvettes dont les facteurs de forme sont faibles, les lieux de pression hydrostatique maximale se situent au niveau de l’interface caoutchouc-métal, et c’est plutôt une rupture par décohésion qui a lieu. Enfin, nous avons mis en évidence, à partir des simulations numériques de quelques géométries d’éprouvettes (disques de différentes épaisseurs, disques avec fissures circonférentielles et cylindres contenant des inclusions rigides), que les deux critères de nucléation de cavités, de Ball et de Hou et Abeyaratne, donnent souvent des résultats assez comparables.
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