Characterization and modeling of the behaviour and the failure of thermoplastics in a wide strain-rate range and temperature
Caractérisation et modélisation du comportement et de la rupture de thermoplastiques pour une large gamme de vitesse de déformation et de température
Résumé
Nowadays, polymers are used for the interior parts of vehicles. It is particularly the case for components such as dashboards and door panels. These elements are submitted to requirements imposed by international regulations in order to minimize the injuries of the passengers in case of a car crash. It is therefore essential to characterize the mechanical properties of those polymeric materials for several load cases on a wide range of strain-rate and temperature. The collected data can be used to fill numerical behavior models supposed to accurately predict the whole behavior of a polymer, if possible up the failure, taking all polymer behavior specificities into account. Indeed, aiming at optimizing development costs, numerical simulation is currently a key tool in the design of engineering components. Thus, in this thesis work, it is proposed to characterize the complete whole behavior of a semi-crystalline polymer in a wide range of strain-rate and temperature until failure. First, some DMA and tensile tests are carried out in order to characterize the viscoelastic and viscoplastic properties of the material. Then, time-temperature-superposition principle is introduced and validated in the two domains. A model based on the constitutive equations developed by Balieu and al. and enriched thanks to this principle is identified and implemented in the Ls Dyna code. It is validated by comparison with experimental results. Secondly, the work focusses on the experimental characterization and the modelling of failure. Several specimen geometries are designed to reach some specific triaxiality ratios and are tested at different strain-rates and two temperatures +23 and -30°C. A failure behavior surface is thus identified and introduced in the GISSMO failure model. The complete model of behavior, i.e. constituted of behavior laws and failure criterion, is then validated based on comparison with experimental data extracted from tests on specimens, but also on an industrial demonstrator.
De nos jours les matériaux polymères sont omniprésents dans l’habitacle d’un véhicule. C’est le cas notamment pour les composants comme la planche de bord ou les panneaux de portes. Ces éléments sont soumis à des cahiers des charges imposés par les réglementations internationales pour minimiser les blessures occasionnées à l’occupant en cas d’accident. Il est donc indispensable de caractériser les propriétés mécaniques de ces matériaux par des essais physiques impliquant différents cas de chargement sur de larges gammes de vitesse de sollicitation et de température. Les données recueillies permettent ainsi d’alimenter des modèles de comportement numériques censés reproduire avec fidélité le comportement complet d’un polymère, si possible jusqu’à rupture, en prenant en compte toutes ses spécificités. En effet, dans un souci d’optimisation des coûts de développement, la simulation numérique est aujourd’hui un outil incontournable dans la conception et le dimensionnement de composants. Ainsi dans le cadre de ces travaux, il est proposé de caractériser le comportement complet d’un polymère semi-cristallin jusqu’à la rupture pour une gamme étendue de vitesse de déformation et de température. Dans un premier temps, des DMA et des essais de traction sont réalisés pour caractériser les propriétés viscoélastiques-viscoplastiques du matériau. Puis la notion de principe d’équivalence temps/température est introduite et vérifiée expérimentalement dans les deux domaines. Un modèle basé sur les équations constitutives développées par Balieu et al. et enrichi grâce à ce principe est alors identifié puis implémenté dans le code de calcul Ls Dyna. Il est validé par comparaison à divers résultats expérimentaux. Dans un second temps, les travaux portent sur la caractérisation expérimentale et la modélisation de la rupture. Après avoir défini des géométries d’éprouvettes permettant d’atteindre des taux de triaxialité variés, des essais à rupture sont réalisés à différentes vitesses de déformation pour deux températures +23 et -30°C. Une surface de comportement à rupture est ainsi identifiée et introduite dans le modèle de rupture GISSMO. Le modèle complet, i.e. associant les lois de comportement et de rupture, et ensuite validé en comparaison à des résultats expérimentaux sur éprouvettes, mais également sur démonstrateur industriel.
