Modélisation mircromécanique du comportement d'élastomères chargés - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2007

Micromechanical modelling of filled rubber behaviour

Modélisation mircromécanique du comportement d'élastomères chargés

Résumé

Anti-vibrating parts in automotives are often made of natural rubber reinforced by carbon black. This reinforcement, which comes from the filler–filler and filler–rubber interactions, leads to an increase of the elastic modulus, the tensile strength and the hysteresis. The aim of this work is to develop a model within a generalized self-consistent scheme for filled rubber to predict the elastic moduli. A morphological pattern, which takes into account the occluded rubber, the bound rubber and a percolating network, is proposed and the effective elastic properties are compared with experimental results obtained in both uniaxial and oedometric compression. The filler volume fraction varies in-between 0% and 18% and the influence of the specific surface of the filler is investigated, by using N330 and N650 carbon blacks
La motivation de cette étude est de développer un modèle de comportement micromécanique d'élastomères constitués d'une matrice de caoutchouc naturel chargée de noir de carbone, dans le domaine des déformations modérées. L'objectif est de pouvoir prendre en compte la fraction volumique et la surface spécifique du noir de carbone et d'intégrer la loi de comportement dans un code éléments finis industriel. Les élastomères chargés sont considérés dans cette étude comme des matériaux hétérogènes et une approche micromécanique est retenue. On se propose d'introduire les relations entre la microstructure et les propriétés mécaniques des élastomères chargés au travers d'une étude bibliographique consacrée aux matériaux. La caractérisation des mélanges a montré que la présence du noir de carbone complexifie la microstructure. Une certaine quantité de gomme est occluse dans les agrégats de noir de carbone et une autre liée sur les charges renforçantes qui dépend de la surface spécifique du noir de carbone. De plus, un réseau percolant peut apparaître lorsque la distance entre les agrégats devient critique. La caractérisation mécanique montre que le noir de carbone modifie le comportement global du matériau. La raideur, l'hystérésis, la viscosité ainsi que la déformation rémanente augmentent en fonction de la fraction volumique et de la surface spécifique de la charge renforçante. On constate que l'effet Payne et la rigidification dynamique sont d'autant plus importants que la fraction volumique et que la surface spécifique du noir de carbone sont élevées. L'approche micromécanique est abordée au travers d'une seconde étude bibliographique. Les outils nécessaires pour modéliser le comportement des matériaux hétérogènes sont introduits dans le cadre de l'élasticité linéaire ainsi que quelques méthodes permettant l'extension en non linéaire. Un premier modèle autocohérent généralisé (ACG) à "2+1-phases" est proposé pour modéliser les élastomères chargés. Il s'appuie sur une vision simplifiée de la microstructure supposée être constituée d'une phase de gomme libre plongée dans une phase renforçante. L'intérêt de cette loi de comportement simplifiée est d'avoir un nombre limité de paramètres tout en donnant des résultats intéressants permettant une utilisation industrielle. Un second modèle proposé,"3 phase²" s'appuie sur une description fine de la microstructure en intégrant un nombre plus important de phases. La particularité de ce modèle est de traiter le problème à l'échelle de l'agrégat (0.1 µm) et à celle du réseau percolant (100.0~µm). Les premières simulations obtenues sur les essais quasi-statiques sont encourageantes car les faibles fractions volumiques sont bien décrites et un seul jeu de paramètres est utilisé pour décrire les deux types de noir de carbone. La validation industrielle sur une pièce complexe a permis de comparer les résultats numériques obtenus avec le modèle ACG à "2+1-phases" à ceux obtenus avec une loi de Ogden et également aux résultats expérimentaux. Cette application industrielle a mis en évidence les avantages et les limites de cette loi de comportement.
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Dates et versions

tel-01235180 , version 1 (01-12-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01235180 , version 1

Citer

Benoit Omnes. Modélisation mircromécanique du comportement d'élastomères chargés. Mécanique des solides [physics.class-ph]. Université de Bretagne-Sud, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01235180⟩

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