Contribution à la modélisation du comportement mécanique de polymères à partir d'une approche thermodynamique de la relaxation des milieux continus PDF Download
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Author: Zoubeir Ayadi
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Category :
Languages : fr
Pages : 309
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Book Description
L'objectif principal est d'apporter une contribution a la modélisation du comportement mécanique des polymères. Une attention particulière est portee sur les expériences de fluage/recouvrance. Les effets de la température et de la contrainte sur la réponse observée sont analyses. L'outil théorique de base mis en ouvre repose sur la thermodynamique de la relaxation des milieux continus. Localement, juste après l'application d'un chargement mécanique, le point matériel place hors équilibre est le siège de réorganisations internes qui gouvernent son évolution au cours du temps. Les effets de mémoire et les non-linearites temporelles permettent de comprendre la complexité des comportements rhéologiques observes. Le comportement de trois polymères de structures différentes a été modélise (diacryl, amorphe réticule ; polycarbonate, thermoplastique amorphe ; polyamide 11, semi cristallin). Dans tous les cas les modules instantané et relaxe chutent de plusieurs ordres de grandeur lorsque la température augmente. Les enthalpies d'activation sont voisines de zéro et les entropies d'activation sont négatives (ordre local important, voisin de celui rencontre pour les liquides associes). Ces effets de la température ont pu être reproduits par une modélisation thermodynamique reposant sur l'analyse statistique de l'équilibre d'espèce identifiées par leurs degrés de libertés (vibrateurs, rotateurs et translateurs). L'étude de l'effet de la contrainte montre que le module non relaxe est peu affecte alors que le module relaxe est au contraire très affecte par le niveau impose. Cette observation suggère la manifestation d'une élasticité de nature entropique pour l'état relaxe. Les temps de relaxation sont peu affectes par la contrainte appliquée et le concept de volume d'activation n'est pas utile pour interpréter l'ensemble de nos résultats dans le domaine explore
Author: Zoubeir Ayadi
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Pages : 309
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L'objectif principal est d'apporter une contribution a la modélisation du comportement mécanique des polymères. Une attention particulière est portee sur les expériences de fluage/recouvrance. Les effets de la température et de la contrainte sur la réponse observée sont analyses. L'outil théorique de base mis en ouvre repose sur la thermodynamique de la relaxation des milieux continus. Localement, juste après l'application d'un chargement mécanique, le point matériel place hors équilibre est le siège de réorganisations internes qui gouvernent son évolution au cours du temps. Les effets de mémoire et les non-linearites temporelles permettent de comprendre la complexité des comportements rhéologiques observes. Le comportement de trois polymères de structures différentes a été modélise (diacryl, amorphe réticule ; polycarbonate, thermoplastique amorphe ; polyamide 11, semi cristallin). Dans tous les cas les modules instantané et relaxe chutent de plusieurs ordres de grandeur lorsque la température augmente. Les enthalpies d'activation sont voisines de zéro et les entropies d'activation sont négatives (ordre local important, voisin de celui rencontre pour les liquides associes). Ces effets de la température ont pu être reproduits par une modélisation thermodynamique reposant sur l'analyse statistique de l'équilibre d'espèce identifiées par leurs degrés de libertés (vibrateurs, rotateurs et translateurs). L'étude de l'effet de la contrainte montre que le module non relaxe est peu affecte alors que le module relaxe est au contraire très affecte par le niveau impose. Cette observation suggère la manifestation d'une élasticité de nature entropique pour l'état relaxe. Les temps de relaxation sont peu affectes par la contrainte appliquée et le concept de volume d'activation n'est pas utile pour interpréter l'ensemble de nos résultats dans le domaine explore
Author: Mokhtar Loukil
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Languages : fr
Pages : 194
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L’objectif essentiel de ce travail est de valider une approche très générale de la thermodynamique de la relaxation des milieux continus pour modéliser les comportements plastiques et viscoplastiques. L’outil de base est décrit en terme de distribution de temps de relaxation dans le cadre d'une thermodynamique des processus irréversibles fortement non linéaire (modèle DNLR: distribution of non linear relaxations). L'effort de modélisation porte pour l'essentiel sur : la dépendance temporelle des temps de relaxation. L’écriture du modèle dans l'espace des contraintes tridimensionnelles. La simulation est conduite dans un premier temps pour analyser la prévision qualitative des essais unidirectionnels en petites comme en grandes déformations, pour les métaux comme pour les polymères. Puis la construction des surfaces de plasticité, pour des histoires de chargement plus ou moins complexes, permet de contrôler l'aptitude du modèle à prévoir qualitativement les observations expérimentales. Enfin, une méthode d'identification des paramètres est mise en œuvre révélant ainsi la nécessite de disposer d'une banque de données suffisante pour obtenir des prévisions en bon accord avec l'expérience
Author: Pascale Balland
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Languages : fr
Pages : 244
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Le développement de lois de comportement adaptées au calcul de structure par éléments finis pour les polymères a servi de fil conducteur à ce travail. Le formalisme très général qui découle de la thermodynamique de la relaxation (formalisme d.n.l.r. distribution of non linear relaxations) fournit directement les lois d'évolution qui lient les variables de contrôle accessibles à l'expérimentateur aux variables duales directement mesurables. A chaque situation de contrôle expérimental correspond un potentiel thermodynamique adapté. Or, la méthode des éléments finis qui prend appui sur les principes variationnels privilégie souvent le potentiel de Helmholtz dans la mesure où elle repose sur une formulation en déplacement. nous montrons que l'approche d.n.l.r. est compatible avec ce schéma variationnel. Nous vérifions la pertinence du cadre propose pour le fluage des polymères en confrontant le modèle aux puissantes formulations empiriques de type GAROFALO. L'implantation dans des codes de calcul est alors justifiée. Nous l'avons menée et avons teste sa cohérence en petites déformations avec une formulation d.n.l.r. de base. cette formulation simplifiée s'est révélée insuffisante. l'utilisation de l'approche empirique de type GAROFALO a servi de guide pour affiner la formulation du comportement du pa11. Nous avons donc décide d'introduire la statistique des chaines macromoléculaires pour décrire le comportement en grandes déformations des polymères. La représentation modale des cinétiques de dissipation nous a permis d'établir un lien entre la théorie de l'état transitoire active et la description des mouvements hiérarchiquement corrélés de Perez et al. Ainsi, la capacité du cadre d.n.l.r. à accepter des modèles reposant sur la physique de la déformation ouvre-t-elle de nouvelles perspectives pour la prévision du comportement des polymères.
Author: Carole Frédy
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Languages : en
Pages : 0
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Le PTFE ne peut pas être mis en forme par les procédés classiquement employés pour les polymères. La production de pièce peut se faire par compaction de poudre et frittage. Des charges peuvent être ajoutées à la poudre vierge. Afin de prédire les propriétés de la pièce à vert et d'avoir un outil fiable pour optimiser les paramètres du procédé de compaction, une modélisation du comportement mécanique de poudres de PTFE chargées, ou non, à température ambiante lors du pressage industriel est proposée. La caractérisation expérimentale des matériaux est réalisée grâce à un outil de compaction 3D installé dans la machine triaxiale ASTREE. A partir de ces essais originaux, un modèle Drucker-Prager/cap est identifié. Les variations importantes de densités et de propriétés sont décrites. Le changement de phase cristalline, prenant place à température ambiante et sous pression est également caractérisé, modélisé et implémenté dans le code EF. Ensuite, l'interaction entre le PTFE et l'outil métallique est vue comme un frottement interne entre le film de transfert de PTFE et le reste de la pièce. Elle est modélisée à partir des paramètres déjà identifiés, à savoir le coefficient de frottement interne du Drucker-Prager et la cohésion. Deux tests sont mis en place pour valider le modèle: un outil ¿dométrique instrumenté et un outil original " en V " offrant la possibilité de mesurer le champ de déplacement par Corrélation d'Image Numérique. Des simulations EF de l'ensemble du procédé sont finalement effectuées et comparées aux données industrielles. Les premiers liens entre les étapes de compaction et de frittage sont établis par caractérisation de la texture cristalline par DRX.
Author: Alexandre Francois heude
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Languages : fr
Pages : 0
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Le développement d'outils numériques de prédiction de la durée de vie des polymères constitue un levier prometteur pour réduire les durées des processus de certification de ces matériaux dans le domaine automobile sans sacrifier leur fiabilité. Cette thèse s'applique à la modélisation de la photo-thermo-oxydation du polypropylène isotactique (iPP), laquelle est responsable de l'altération de ses propriétés mécaniques et d'aspect. L'approche adoptée consiste à coupler la cinétique des réactions de photo- et thermo-oxydation avec des phénomènes physiques, comme le transport du dioxygène et l'atténuation de la lumière UV dans l'épaisseur du matériau, pour décrire l'ensemble des évolutions physico-chimiques. Les propriétés aux échelles supérieures, sur lesquelles seront définis les critères de fin de vie, seront calculées a posteriori en appliquant les relations structure-propriété adéquates. Le principal enjeu était d'étendre le modèle cinétique de vieillissement thermique préexistant au vieillissement photo-thermique en prenant en compte les réactions d'amorçage photolytique. De lourdes campagnes d'essais de vieillissement et de caractérisation menées sur un iPP de référence, ainsi qu'une capitalisation exhaustive des données de la littérature d'autres iPPs, ont permis de mettre au point un modèle cinétique de photo-thermo-oxydation et de le généraliser à l'ensemble de la famille des iPPs dans de larges domaines de pression partielle d'oxygène (de 0.2 à 50 bars), de température (de 40 à 230°C) et d'exposition à la lumière UV (intensités et sources lumineuses variables) décrivant des conditions de vieillissements naturels et accélérés. La validation expérimentale du modèle a permis d'étayer l'approche cinétique et de montrer ses limites, mais aussi de révéler un certain nombre d'enjeux numériques. Le modèle a été conçu pour être un outil numérique évolutif qui permettra, à terme, d'optimiser la représentativité des méthodes d'essais de vieillissement et la performance des formulations commerciales d'iPP. L'ensemble de ces développements théoriques et numériques peut être appliqué à la photo-thermo-dégradation d'autres types de polymères, mais aussi dans d'autres champs d'application de la photochimie macromoléculaire telle que la photo-polymérisation UV.Mots-Clés : Polypropylène, photo-thermo-oxydation, contrôle par la diffusion d'oxygène, effet d'écran, modélisation cinétique, prédiction de durée de vie.
Author: Kai͏̈s Mrabet
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Languages : fr
Pages : 173
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Les polymères semi-cristallins font l'objet de nombreuses recherches scientifiques visant à comprendre leurs mécanismes de déformation microscopiques. Néanmoins, les modèles présentés aujourd'hui dans la littérature n'abordent que rarement les essais mécaniques avec décharge et les essais cycliques en grandes déformations. Les raisons de ces insuffisances sont surtout liées à la difficulté d'établir une description physique mettant en jeu la multiplicité des processus de réorganisation interne. Aussi, un élément important du comportement mécanique du polymère semi-cristallin est souvent ignoré, il s'agit de la notion d'état relaxé. Dans le cadre du formalisme D.N.L.R. (Distribution of Non Linear Relaxation) nous nous intéressons de plus près à ces deux aspects du comportement mécanique: multiplicité des processus et état relaxé. Pour clarifier ses deux notions nous nous sommes donné pour objectif de caractériser l'état relaxé en grandes déformations et de le modéliser en exploitant la thermodynamique de processus irréversibles tout en prenant en compte l'aspect microscopique de la déformation. La distribution des poids des différents modes de dissipation est décrite suite à des observations issues d'un essai clip test. Le matériau utilisé est le polyéthylène à Haute Densité moléculaire PEHD. Les essais sont effectués selon la technique de VideoTraction. Le module de l'état relaxé mesuré lors du chargement en traction est nettement plus important que celui mesuré lors de la décharge, ce qui traduit un phénomène d'endommagement. Nous avons montré que l'irréversibilité de l'état relaxé impose qu'il soit modélisé par une fonctionnelle qui intègre les effets de mémoire et d'endommagement. Par ailleurs, l'essai dip test a révélé la présence d'un cross over mécanique. Une étude bibliographique nous a montré que ce phénomène est lié à la multiplicité des processus, et nous a incité à réexaminer la partition modale intervenant dans la loi de comportement DNLR. Nous avons montré que le modèle physique ainsi élaboré est capable de reproduire des chargements complexes, notamment les essais cycliques avec relaxation, et de prédire des comportements très dépendants de l'histoire du chargement et liés à la non réversibilité de l 'état relaxé.
Author: Evelyne Toussaint (physicienne)
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Languages : fr
Pages : 278
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L'objet de ce travail est d'établir un lien entre thermodynamique non linéaire des processus irréversibles et mécanismes de la déformation. L'outil développé repose sur les concepts de la thermodynamique de la relaxation des milieux continus. Il s'appuie en particulier sur deux points essentiels : la distribution et la cinétique non linéaire des processus de relaxation (modèle D.N.L.R. : Distribution of Non Linear Relaxations). Ce formalisme très général permet de retrouver les modèles d'élastoplasticité parfaite, d'élastoplasticité à écrouissage cinématique linéaire et d'élastoplasticité standard à écrouissage isotrope et cinématique non linéaire, sous formes incrémentales. L'utilisation du concept de temps réduit conduit directement aux formulations intégrales (approche endochronique par exemple). Pour valider la description D.N.L.R., nous l'appliquons à des chargements cycliques complexes imaginés pour mettre en évidence le surécrouissage cyclique. Nous modélisons également une série de données expérimentales très variées relative à un matériau viscoplastique à l'aide de deux spectres de temps de relaxation. La structure du formalisme proposé contient en elle même l'ouverture vers des modélisations de mécanismes physiques. C'est sans conteste dans cette direction que l'on trouvera des solutions pour affiner les simulations. Ainsi, après quelques rappels généraux concernant la théorie des dislocations, nous relions la contrainte relaxée du modèle D.N.L.R. à la contrainte interne utilisée couramment en métallurgie physique et définissons le glissement localisé sur les systèmes cristallins. L'exploitation de ces concepts nous permet de donner une interprétation physique aux modes dissipatifs issus de la théorie des fluctuations propre au modèle D.N.L.R., lorsque le Volume Elémentaire Représentatif polycristallin est assimilé à un supermonocristal. Ceci constitue une description de la «transition d'échelle» V.E.R./système de glissement. Nous étudions également la possibilité d'une exploitation de l'approche D.N.L.R. pour couvrir une autre transition vers une échelle plus fine : du système de glissement vers la distribution des dislocations. Le passage du polycristal aux systèmes de glissement est alors assuré par le modèle développé par CAILLETAUD et PILVIN au Centre des Matériaux.
Author: Nadia Brahmia
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Languages : fr
Pages : 210
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Book Description
L’objectif de ces travaux est d’étudier l’influence de la pression et du cisaillement sur la cinématique de cristallisation des polymères. La cinétique de cristallisation du polypropylène au repos a été étudiée par calorimétrie. Ses paramètres ont été identifiés en utilisant le modèle cinétique de ‘Schneider’ et la méthode d’estimation des paramètres de ‘Levenberg-Marqardt’. L’effet de la pression sur la cinétique de cristallisation a été pris en compte en considérant que la température de fusion thermodynamique du polymère augmente avec la pression. Pour étudier ce phénomène, une modélisation du refroidissement isochore d’une plaque en polypropylène est alors réalisés. Ce modèle tient compte du couplage fort entre les transferts thermiques, la cinétique de cristallisation et le comportement thermodynamique du polymère. Pour l’étude de la cristallisation du polypropylène sous cisaillement, un modèle a été développé basé sur deux hypothèses : la prise en compte de l’effet de la cristallisation sur la viscosité en se basant sur les principes de la théorie des suspensions concentrées ; et la dépendance du nombre des germes induits, au cisaillement et au taux de cisaillement. L’étude de la cristallisation isotherme a montré que l’effet de la vitesse de cisaillement sur le taux de transformation est beaucoup plus important à hautes températures. Pour des basses températures cet effet est négligeable devant l’effet thermique. En refroidissement homogène, l’effet du cisaillement est moins pertinent sous des cinétiques de refroidissement élevées. Pour des faibles cinétiques de refroidissement l’effet du cisaillement devient plus prépondérant par rapport à l’effet thermique.
Author: Song Thanh Thao Nguyen
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Languages : fr
Pages : 199
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Book Description
Dans une approche de dimensionnement en fatigue basée sur un critère multiaxial, les paramètres d’entrée du critère (contraintes, déformations, termes énergétiques) sont généralement calculés sur un état stabilisé. Dans les métaux, il s'agit souvent du premier cycle, en supposant que le matériau se comporte élastiquement ou présente des processus de plasticité très localisés. Dans les matériaux viscoélastiques comme les polymères, l’évolution significative de la raideur en début de cyclage soulève la question de la stabilisation du cycle sur lequel les paramètres mécaniques devraient être calculés. Un enjeu majeur est donc de définir et prédire cet état stabilisé, c’est à dire non seulement l'évolution de la déformation moyenne qui accompagne le cyclage mais aussi la boucle stabilisée elle-même et les contributions énergétiques pertinentes. Pour être applicable à des structures, le modèle doit conserver un formalisme aussi maniable que possible. Dans cette étude, réalisée sur les 1000 premiers cycles de la vie d'un polyéthylène, il est montré, par des essais de recouvrance, que la contribution viscoélastique à l'évolution de la déformation moyenne est majoritaire. Un intérêt particulier est donc porté à la caractérisation expérimentale et à la modélisation macroscopique de cet aspect du comportement.La première partie du travail est menée dans un cadre purement mécanique. L'accumulation cyclique est étudiée expérimentalement au cours des premiers 1000 cycles à force contrôlée et faible fréquence, à la température ambiante. L'influence de la fréquence et du rapport de charge sur la réponse viscoélastique est étudiée. La comparaison d'essais de traction et de cisaillement de type Iosipescu permet de discuter les parts volumique et déviatorique. Un modèle viscoélastique non linéaire isotherme en petites déformations est proposé dans le cadre de la Thermodynamique des Processus Irréversibles. Dans la deuxième partie, l'étude expérimentale et théorique est étendue au cadre thermo-mécanique. La température est en effet intrinsèquement couplée à la viscoélasticité dans les polymères ; cet effet peut conduire à des auto-échauffements importants. Les mêmes essais de traction et cisaillement sont réalisés par le LMGC de Montpellier avec une métrologie différente : la mesure de champs de température et déformation au cours de l’essai permet de calculer les différents termes de l’équation de diffusion de la chaleur et d'accéder aux sources de chaleur. Ces résultats expérimentaux sont analysés et confrontés à une extension du modèle thermo-viscoélastique du modèle dans laquelle le couplage est introduit via la thermo-élasticité (par la déformation volumique) et via la dissipation visqueuse (sur la base du principe d’équivalence temps-température).
Author: Oussama Zaki
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
Plusieurs types d'interactions existent entre un emballage (contenant) et le produit emballé (contenu). L'inertie d'un emballage est rarement totale, ce qui peut engendrer par exemple une altération des propriétés du produit emballé. Ce contact contenant/contenu peut également influencer les propriétés thermomécaniques de l'emballage. L'objectif général du travail de cette thèse consiste à développer une méthodologie expérimentale rigoureuse et pertinente pour caractériser les phénomènes observés et ainsi modéliser le système matériau/produit. Cette démarche a pour but la mise au point d'un outil d'aide à la conception des emballages en polymère, permettant la prédiction et la simulation de résistance mécanique de ces emballages, afin notamment d'améliorer leurs performances. Dans le cadre de ce travail, nous avons caractérisé la sorption de l'acétate d'amyle dans des flacons en polypropylène par les techniques de gravimétrie et de spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier avec différentes concentrations aux températures de contact de 23°C et de 40°C. Nous avons pu constater, à l'aide de ces deux techniques, que la quantité d'ester dans le polymère augmente en fonction de la température de vieillissement et de la concentration en ester. L'étude thermique par la technique de DSC a montré que la température de fusion augmentait et que le taux de cristallisation du polypropylène diminuait en fonction de la concentration d'acétate d'amyle, ce dernier jouant le rôle de plastifiant. Nous avons également identifié, à l'aide du logiciel SiDoLo, un modèle analytique de type sigmoïdal pour modéliser la sorption de l'acétate d'amyle dans le polypropylène Pour corréler l'évolution du module d'élasticité et de la RCV des flacons avec le vieillissement du polymère, nous avons réalisé des essais de traction simple sur des éprouvettes prélevées sur les flacons, ainsi que des essais de compression verticale sur des flacons. Pour identifier les paramètres de la loi de comportement des polymères solides, nous avons utilisé la méthode d'identification inverse sur les essais de compression verticale, en couplant le logiciel d'optimisation SiDoLo et le logiciel de calcul des structures par la méthode des éléments finis ABAQUS®. Cette approche nous notamment permis de proposer une évolution de ces paramètres en fonction de la concentration d'acétate d'amyle.
