Soutenance mémoire
Les renforts inorganiques
Le concept de renfort est apparu après de nombreuses tentatives faites pour réduire le coût des matières plastiques destinées à certaines applications. En effet, plusieurs types de matières peu couteuses ont été introduits afin d’élaborer des matériaux plastiques à moindre coût. Certaines charges peuvent affecter considérablement leurs propriétés comme elles peuvent améliorer significativement d’autres propriétés. C’est ainsi que la conception des matériaux plastiques renforcés convenables à certaines applications a commencé. La conception permet de prédire les propriétés finales d’un matériau afin d’assurer la fiabilité et la performance nécessaire à l’application pour laquelle ce matériau est destiné. Certains renforts sont utilisés principalement pour améliorer les propriétés des polymères, notamment les propriétés mécaniques. Ils peuvent être classés selon leur nature en trois catégories : les renforts inorganiques, organiques et métalliques. Ils peuvent être classés également selon leur structure en fibres courtes ou longues, en particules, en tissu, en mât ou en voile. Comme elles peuvent être différenciées selon leur composition chimique, on compte ainsi les fibres A, C, D, E, R et S.
Les fibres de verre sont parmi les renforts inorganiques les plus utilisées en industrie. Ces renforts se classent parmi les fibres utilisées afin d’améliorer les propriétés mécaniques des polymères thermoplastiques (voir figures 1.3). Par exemple l’addition de 10% de fibres de verre résulte en une augmentation significative du module élastique et de la résistance à la traction du polypropylène(Mebarki, 2012; Richardson & Sauer, 1976). De plus, le traitement des fibres de verre assure une meilleure adhésion avec le polymère (Etcheverry & Barbosa, 2012). Plusieurs types de fibres de verre sont utilisés comme renforts inorganiques pour différents polymères. Les fibres de verre (type E) conviennent aux applications d’usage général. Ces fibres se distinguent par une haute résistance thermique et offrent de bonnes propriétés d’isolement électrique. Des flocons ou paillettes de mica comptent également parmi les renforts inorganiques utilisées, surtout pour des applications dans des isolations électriques. Ces renforts donnent en effet une excellente stabilité diélectrique et thermique en plus de l’amélioration de la rigidité diélectrique. Ils peuvent également améliorer la conductivité thermique des polymères qui sont généralement des résines de faible conductivité thermique.
La transition vitreuse
La transition vitreuse compte comme la plus importante phase thermique d’un polymère. C’est le stade où les zones amorphes du polymère passent de l’état caoutchouteux à l’état solide vitreux avec le refroidissement. La transition vitreuse est considérée comme la phase thermique la plus intéressante d’un polymère et est en effet spécialement critique dans le procédé de mise en oeuvre des polymères thermoplastiques. C’est un stade où les zones amorphes passent de l’état souple caoutchouteux à l’état solide vitreux (avec le refroidissement). Au cours de la transition vitreuse, la mobilité des chaines polymériques augmente significativement. Cette phase est caractérisée par une température qu’on appelle la température de transition vitreuse (Tv) Cette température ne dépend pas seulement de la structure chimique du polymère mais aussi de certains facteurs thermodynamiques tels que la vitesse du chauffage et le refroidissement ainsi que la pression exercée au cours du procédé de mise en oeuvre. La densité et la distribution des chaines moléculaires sont également des facteurs structuraux significatifs, dans le contrôle de la température de transition vitreuse. L’analyse enthalpique différentielle est la technique la plus couramment utilisée en milieu industriel ou académique pour la recherche et la détermination de la transition vitreuse.
Les mesures se font typiquement selon la norme ASTM-E1356 (Standard Test Method for Assignment of the Glass transition temperature by Differential Scanning Calorimetry). Cette grandeur est déterminée à partir du milieu du saut de la capacité calorifique. Au cours de la transition vitreuse, des changements significatifs peuvent apparaître au niveau des propriétés d’un polymère. En effet, la transition vitreuse d’un matériau polymère s’accompagne toujours d’un changement significatif de son comportement mécanique (Lawrence & Robert, 1994). En plus, le décalage du pic de relaxation des pertes diélectriques est particulièrement associé à la transition vitreuse du polymère (McCrum, Read, & Williams, 1967).
Synthèse bibliographique sur les travaux effectués sur l’étude de la réponse diélectrique par différentes méthodes La réponse diélectrique d’un matériau composite permet d’interpréter son comportement électrique dans une certaine gamme de fréquences. Parmi les propriétés diélectriques, la permittivité complexe est une caractéristique intéressante pour évaluer le comportement d’un composite dans un système électrique. Un grand nombre de travaux ont été porté sur l’étude des propriétés diélectriques des composites, particulièrement en ce qui concerne leur endurance aux décharges partielles. Cependant peu d’études ont été reportées sur la détermination de la permittivité complexe des milieux hétérogènes notamment ceux capables de fournir des prédictions pour la permittivité complexe effective des hétéro-structures. Dans ce contexte, nous proposons dans cette section une description des études antérieures qui ont été menées. (Banhegyi, 1986) a présenté des méthodes théoriques pour le calcul des propriétés diélectriques des mélanges hétérogènes. L’étude n’était pas du type critique, mais plutôt un regroupement des différentes formules et théories permettant de calculer la permittivité diélectrique complexe et plus précisément les théories de champ moyen, et les équations intégrales de frontière.
L’auteur a classé les formules en deux catégories selon le type de composite. Une comparaison entre les résultats obtenus par les deux méthodes a abouti à la conclusion qu’il y a une différence entre les valeurs obtenues surtout dans le cas des composites contenants des inclusions sphériques. L’auteur a suggéré de faire une description détaillée de la microstructure de l’ensemble matrice-inclusion comme la forme et la distribution des inclusions et les fluctuations de concentration afin de les intégrer dans l’ensemble des équations. (Tuncer, Gubański, & Nettelblad, 2001) ont effectué une simulation en 2D de la permittivité effective d’un composite hétérogène biphasique (diélectrique/conducteur) dont les inclusions sont infiniment longues. Les résultats obtenus par la méthode des éléments finis pour des composites à faibles concentrations d’inclusion ont été similaires à ceux calculés par d’autres modèles analytiques basés sur la loi des mélanges comme celui de Wiener et de Steeman. Toutefois, l’augmentation de la concentration des inclusions entraîne une différence significative entre les valeurs comparées. En 2002, les mêmes auteurs (Tuncer, Serdyuk, & Gubanski, 2002) ont démontré la dépendance des propriétés des constituants, leurs concentrations et les arrangements géométriques à la réponse diélectrique des matériaux composites.
Une procédure pour les calculs numériques des paramètres effectifs dépendant de la fréquence d’un matériau composite à structure stochastique en trois dimensions a été développée par (Serdyuk, Podoltsev, & Gubanski, 2004). Les résultats obtenus par l’analyse numérique des propriétés diélectriques réalisée dans la gamme de fréquences de 1 MHz à 1 kHz ont été confrontés aux paramètres obtenus expérimentalement ainsi que les résultats obtenus par les équations de Maxwell-Garnett et celles de Bergman. Une revue très détaillée sur la prédiction de la réponse diélectrique des milieux hétérogènes a été publiée par (Brosseau & Beroual, 2003). Les auteurs ont présenté des études numériques en deux dimensions (2D) et trois dimensions (3D) sur deux composites dans lesquels les inclusions gardent une forme, une taille et une orientation fixe dans un réseau périodique carré (2D) ou cubique (3D). Les auteurs ont également montré l’importance de l’approche de calcul ab-initio pour caractériser avec plus de précision l’interface des milieux hétérogènes périodiques dans la limite quasi-statique et de fournir des prédictions très précises pour la permittivité complexe effective des hétéro structures. Les auteurs ont également confronté les résultats obtenus à d’autres modèles existants dans la littérature. Plus récemment, (Myroshnychenko & Brosseau, 2009) ont utilisé la simulation par éléments finis à partir de l’approche ab-initio afin d’étudier les propriétés diélectriques d’un système percolation- continuum à deux dimensions où des disques circulaires sont distribués de façon aléatoire à travers une matrice hôte. L’étude a été réalisée en fonction de plusieurs facteurs physiques caractérisant les structures hétérogènes, particulièrement la fraction surfacique de l’inclusion et le degré d’impénétrabilité caractérisé par le paramètre λ.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Normalisation et réglementation du marché visé
1.2 Procédé de soudage GMAW
1.2.1 Caractéristiques de sélection du procédé
1.2.2 Modes de transfert
1.3 Résistance mécanique et faillite des constructions soudées
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Type de recherche et démarche typique
2.2 Démarche méthodologique de la présente recherche
2.3 Méthodes et livrables
CHAPITRE 3 CAHIER DES CHARGES
3.1 Description du produit à développer
3.2 Description du marché
3.3 Normes de conception
3.4 Description des besoins et contraintes et des spécifications techniques
CHAPITRE 4 CONCEPTION DU PIÉDESTAL ET DE SES COMPOSANTES
4.1 Génération de solutions et processus de sélection
4.2 Présentation de la solution développée
4.3 Conditions de chargement générales
4.3.1 Chargements statiques
4.3.2 Chargement cyclique
4.4 Interfaces de montage
4.4.1 Patron de trous de montage inférieur
4.4.2 Piliers de montage
4.4.3 Joint boulonné inférieur
4.4.4 Patron de trous de montage supérieur et joint boulonné associé
4.5 Profilés
4.6 Joints soudés
4.6.1 Géométrie des joints soudés
4.6.2 Section effective
4.6.3 Contrainte admissible maximale
4.6.4 Résistance des joints sous chargements statiques
4.7 Analyse numérique de la structure soudée
4.7.1 Modèle de simulation
4.7.2 Résultats
4.7.3 Analyses de sensibilité
4.7.4 Modification de la structure
CHAPITRE 5 DESCRIPTIF DU MODE OPÉRATOIRE DE SOUDAGE
5.1 Détermination des paramètres formant le mode opératoire de soudage
5.1.1 Procédé de soudage et type de source
5.1.2 Mode de transfert et polarité
5.1.3 Métal d’apport et gaz de protection
5.1.4 Température minimale de préchauffage et d’interpasse
5.1.5 Traitement thermique post-soudage
5.1.6 Configuration des joints soudés
5.1.7 Soudage par pointage
5.1.8 Variables de soudage
5.2 Étapes de montage et séquence de soudage
CHAPITRE 6 DÉMONSTRATION ET ÉVALUATION DU MODE OPÉRATOIRE DE SOUDAGE
6.1 Démonstration et évaluation préliminaire du mode opératoire de soudage
6.2 Évaluation formative du mode opératoire de soudage
6.2.1 Inspection visuelle, contrôle par ressuage et contrôle magnétoscopique
6.2.2 Macrographies et micrographie aléatoires
6.2.3 Essais de dureté Rockwell
6.2.4 Contrôles par ultrasons
6.2.5 Étude de la discontinuité interne la plus importante
6.3 Ajustement de certains paramètres du mode opératoire de soudage
6.4 Évaluation sommative du mode opératoire de soudage
CHAPITRE 7 DÉMONSTRATION ET ÉVALUATION DU PIÉDESTAL
7.1 Montage et déroulement des essais mécaniques
7.2 Démonstration du piédestal
7.3 Évaluation du piédestal
7.3.1 Résultats et analyse partielle de la rigidité du montage
7.3.2 Résultats et analyse des rigidités du piédestal et de ses boulons
7.3.3 Analyse de la séparation du joint boulonné inférieur
7.4 Retour sur les objectifs et les résultats de la démonstration et de l’évaluation
7.5 Retour sur le cahier des charges
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I INTRODUCTION AU GMAW
ANNEXE II OUVERTURES MAXIMALES DES ACCÈS MENANT À UN DANGER EN FONCTION DES DISTANCES DE SÉCURITÉ
ANNEXE III MATRICES DE FILTRAGE ET SÉLECTION DES SOLUTIONS GÉNÉRÉES
ANNEXE IV MODES DE MONTAGE DU PIÉDESTAL À LA VANNE
ANNEXE V CONCEPTION DES GARDES TRANSPARENTS
ANNEXE VI MÉTHODE DE PROTECTION CONTRE LA CORROSION
ANNEXE VII CALCULS DES CHARGEMENTS STATIQUES ET CYCLIQUES APPLIQUÉS AU PIÉDESTAL
ANNEXE VIII DESCRIPTION DES CHARGES MAXIMALES D’OPÉRATION DE L’ACTIONNEUR
ANNEXE IX DESCRIPTION DU CHARGEMENT CYCLIQUE SIMPLIFIÉ
ANNEXE X CONCEPTION DES PILIERS
ANNEXE XI CALCULS RETATIFS AU DIMENSIONNEMENT DES PILIERS
ANNEXE XII CALCULS RELATIFS AU JOINT BOULONNÉ INFÉRIEUR
ANNEXE XIII CALCULS RELATIFS AU JOINT BOULONNÉ SUPÉRIEUR
ANNEXE XIV CALCULS RELATIFS AU DIMENSIONNEMENT DES COLONNES
ANNEXE XV ANALYSE DE CONVERGENCE DU MODÈLE D’AMEF
ANNEXE XVI DÉTAILS SUR LA SÉLECTION DU MÉTAL D’APPORT
ANNEXE XVII DÉTAILS SUR LA PRÉPARATION, LE PROFIL ET LA FINITION DES JOINTS SOUDÉS
ANNEXE XVIII DÉTAILS SUR LE SOUDAGE PAR POINTAGE DES JOINTS
ANNEXE XIX DMOS PRÉLIMINAIRE ET ESSAIS DE SOUDAGE ASSOCIÉS
ANNEXE XX ÉTAPES DE MONTAGE DU GABARIT DE SOUDAGE
ANNEXE XXI SÉQUENCE DE SOUDAGE DU PROTOTYPE DE PIÉDESTAL
ANNEXE XXII DÉTAILS SUR LES CONTRÔLES PAR RESSUAGE ET PAR MAGNÉTOSCOPIE
ANNEXE XXIII C-SCAN ET B-SCAN DE L’ÉCHANTILLON
ANNEXE XXIV ÉTUDE APPROFONDIE DE LA DISCONTINUITÉ N°5
ANNEXE XXV DÉTAILS SUR LES AJUSTEMENTS DU DMOS PRÉLIMINAIRE
ANNEXE XXVI DMOS FINAL
ANNEXE XXVII RAPPORTS DES CONTRÔLES MAGNÉTOSCOPIQUE ET RADIOGRAPHIQUE
ANNEXE XXVIII CONCEPTION DES PLAQUES DE MONTAGE
ANNEXE XXIX CALCUL DES FORCES DÉPLOYÉES PAR LA PRESSE LORS DES ESSAIS MÉCANIQUES
ANNEXE XXX DONNÉES DES JAUGES VIRTUELLES E0 ET E2
ANNEXE XXXI CALCULS RELATIFS À LA SÉPARATION DU JOINT BOULONNÉ INFÉRIEUR
LISTE DE RÉFÉ
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