Etude de la dégradation de structures composites en caoutchouc soumises à des chocs

Dans le domaine des pneumatiques, les agressions les plus critiques sont liées aux routes en mauvais état. Cela va des chocs contre des bordures ou des parties non stabilisées, à des pénétrations des pneus par des projectiles externes. Les dégâts peuvent être importants. Il devient alors souhaitable d’envisager ces scénarii dès la phase de conception. C’est un des objectifs de ce travail de thèse. Parmi ces agressions, on s’est focalisé sur l’influence des détériorations dues à des projectiles issus de la chaussée en étudiant leur impact sur le comportement du pneu et sa durée de vie.

Afin d’améliorer les performances des pneus vis-à-vis des détériorations dues à des chocs ou des impacts sur chaussées déformées, un renforcement de leur architecture s’est très vite imposé. La solution préconisée par la société Michelin afin d’améliorer la rigidité radiale, a été de concevoir un matériau composite à matrice élastomère renforcée de câbles d’acier. Cette nappe préconisée en partie extérieure du pneu se traduit par la présence d’un ceinturage en acier noyé au sein de l’élastomère. Cependant le comportement dynamique de cette nappe en acier, ses mécanismes d’endommagement quand ils sont générés par des chocs ainsi que le processus de détérioration, restent mal connus, d’autant que toute pénétration du pneu reste imprévisible. Afin de répondre à ces questions à la fois expérimentales et théoriques, un travail de thèse a été entrepris, associant la collaboration de l’Ecole des Mines de Paris (Mines ParisTech), la société Michelin (Michelin Research Asia) et l’Université « King Mongkut’s University of Technology North Bangkok (KMUTNB) située à Bangkok en Thaïlande. Ce travail a été financié par « The Royal Golden Jubilee Ph.D Program, Thailand Research Fund (TRF), la société Michelin ainsi que l’ambassade de France en Thaïlande. L’objectif était de répondre aux questions posées ci-dessus, à savoir étudier au niveau de la couche composite, les mécanismes d’endommagement par chocs afin d’établir un critère de dimensionnement qui permette d’améliorer les propriétés mécaniques au choc d’un pneu.

Le pneumatique et son architecture 

Le pneumatique est une structure de forme torique assemblée par plusieurs composants souples/rigides par exemple des gommes, des matériaux textiles et des renforts d’acier. La révolution d’un pneu provient du besoin d’un confort lors d’un voyage. Historiquement le pneu était une bande d’acier renforçant la roue en bois d’un chariot. Après que Charles GOODYEAR ait réussi une vulcanisation en 1839, l’élastomère a été largement utilisé surtout dans l’industrie du pneumatique. Le premier brevet d’un pneu avec chambre à air a été délivré en 1845 par Robert William THOMPSON. Son travail était une enveloppe en cuir soutenu par une toile d’élastomère. Le premier pneu avec des gommes a été fabriqué par John Boyd DUNLOP pour un vélo en 1887. Puis, la conception d’un pneu radial s’est affirmé en 1914 mais elle a eu des difficultés au niveau de la manufacture jusqu’à ce que Michelin dépose son brevet du pneu radial en 4 juin 1946. Le pneu radial appelé Michelin X a été commercialisé en 1949. Sa conception est de maintenir la nappe carcasse en arceaux droit et de stabiliser la bande de roulement en ajoutant des nappes de ceinturage en acier sur la nappe carcasse. Par conséquent, le travail de la bande de roulement est indépendant de celui des flancs. L’aire de contact ne varie pas beaucoup tandis que les flancs sont flexibles. Des avantages du pneu radial permettent d’avoir mieux la performance de manœuvre, la durée de vie pour la bande de roulement même si le confort est inférieure par rapport au pneu conventionnel [Ersahin, 2003], [Mukai et al., 2000].

Introduction aux matériaux composites flexibles 

Les matériaux composites flexibles restent une catégorie à part de composites. Ils se composent d’une matrice organique liant des fibres continues unidirectionnelles. On peut citer les composites en Silicone/coton, les composites Uréthane/Epoxy et les composites à matrice élastomère renforcée par des câbles d’acier. Ce dernier type de composites trouve son application dans des domaines bien spécifiques tels que l’industrie des pneumatiques. L’utilisation de composites souples est différente de celle des composites rigides dits haute performance. Les matériaux composites à haute performance, par exemple les composites Carbone/Epoxy, les Carbone/PA6, les Verre/Epoxy …, trouvent une exploitation croissante dans les secteurs automobiles, aéronautiques, aérospatiales et offshores. L’explication est que ces matériaux permettent de gagner en rapport rigidité/masse volumique, résistance/masse volumique quand ils sont comparés aux matériaux métalliques plus traditionnels. Ils permettent aussi d’optimiser le dimensionnement des structures en fonction des sollicitations appliquées en jouant sur l’orientation des renforts selon les directions principales des efforts. De plus ces matériaux présentent une faible sensibilité à la fatigue et à la corrosion [Nimdum, 2009]. Les matériaux composites flexibles quant à eux restent essentiellement limités à l’industrie pneumatique, le domaine des bandes transporteuses ainsi qu’aux applications médicales. Ils sont fréquemment utilisés pour des sollicitations de grandes déformations.

D’une manière générale, les matériaux composites flexibles sont anisotropes. Leurs rigidités dans la direction des renforts sont très élevées comparées à celles dans la direction transverse ( E11 E22 >> 1) et leurs modules de cisaillement sont par ailleurs assez bas. C’est la raison pour la quelle, ils sont sensibles à la réorientation des renforts lors d’une sollicitation. Par conséquent, les matériaux composites souples présentent des non-linéarités géométriques lors de la réorientation des renforts et un comportement non linéaire quand la partie matricielle l’emporte. C’est la raison pour laquelle les théories conventionnelles adoptées pour les matériaux composites préconisant l’hypothèse des petites déformations ne sont plus valables pour les composites souples. Cela pose toujours des difficultés et augmente la complexité de l’analyse du comportement de ces matériau [Luo et al., 1988], [Cembrola et al. 1985].

Matrice élastomère (caoutchouc) 

Généralité et la mise en œuvre

Dans cette étude, la matrice du matériau composite étudié est un élastomère issu de la famille des polymères. Cet élastomère est constitué d’un ensemble de longues chaînes macromoléculaires avec des points de réticulation, des enchevêtrements ou des liaisons polaires, qui forment un réseau (Figure II.1). Ces longues chaînes sont à l’origine de plusieurs maillons du cis-1,4-polyisoprène représenté sur la Figure II.2. Pour un pneu de poids lourd traditionnel, la composition de la matrice élastomère résulte soit d’un mélange de 80% de caoutchouc naturel (NR) et 20% du caoutchouc butyle (BR) et de caoutchouc styrènebutadiène (SBR), soit 100% NR. De plus, la matrice élastomère est renforcée de noir de carbone ou de silice afin d’améliorer son comportement. On ajoute également des additifs tels que le soufre, le péroxyde an tant qu’accélérateurs, l’antioxygène et l’antioxidant comme agents de protection, l’huile comme plastifiant et enfin des colorants pour la couleur.

Notons que la qualité et les caractéristiques d’un élastomère dépendent de nombreux paramètres. Parmi ces paramètres, la formulation (matrice, charge et additifs) et le procédé figurent parmi les plus importants. Deux élastomères ayant la même formulation peuvent avoir des propriétés différentes (physiques et mécaniques) si les procédés de la fabrication ne sont pas identiques. De même, les propriétés des élastomères peuvent différer si les constituants sont différents malgré des procédés de fabrication identiques.

De manière générale, la fabrication d’un élastomère suit les étapes suivantes:
– le mélange des constituants, par exemple le caoutchouc, les charges (noir de carbone, silice), les additifs (huile, agent de vulcanisation, couleur etc.) dans un mélangeur interne ;
– la mise en forme par le calandrage, l’injection ou l’extrusion ;
– l’échauffement du mélange à une température donnée, l’application d’une pression pendant un temps donné afin de réticuler l’élastomère.

La température, la pression et le temps sont déterminés par des mesures rhéométriques qui représentent la densité de réticulation en fonction du temps de vulcanisation pour une pression et une température donnée. En général, la réticulation est réalisée à une température avoisinant les 150°C pendant quelques dizaines de minutes. Ensuite elle est prolongée par une post-cuisson de plusieurs heures entre 15 °C et 20°C.

Nappe de ceinturage en acier : Propriétés physiques 

Cette partie présente les nappes de ceinturage en acier. Leur fonction consiste à renforcer la rigidité du pneu et à résister à d’éventuelles pénétrations par des projectiles extérieurs. Les nappes de ceinturage en acier se composent d’une matrice élastomère renforcée de renforts d’acier unidirectionnels. Deux types de nappes de ceinturage ont été étudiés. Les deux sont composées du même élastomère mais renforcés par des renforts en acier de différents diamètres. Ces ceinturages sont mis en œuvre par calandrage à chaud des renforts en acier et de la matrice élastomère. Avant fabrication de ces nappes par calandrage, les renforts en acier doivent être séchés pour empêcher l’humidité de provoquer une mauvaise adhérence. Pendant le calandrage, les renforts sont recouverts de matrice élastomère qui vient s’ajouter en continue de part et d’autre des câbles d’acier. Durant ce procédé, le maintien du bon niveau de température joue un rôle important pour la vulcanisation de la matrice élastomère. Un système du refroidissement est utilisé à cette fin, afin de bien contrôler la température. Notons que cette température de maintien dépend de chaque type de formulation des pneus.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PARTIE A : Cadre de la thèse
Chapitre I : Contexte industriel
I.1 Le pneumatique et son architecture
I.2 Problèmes et objectif de l’étude
Références Bibliographiques
Chapitre II : Présentation du matériau de l’étude
II.1 Introduction aux matériaux composites flexibles
II.2 Constituants
II.2.1 Matrice élastomère (caoutchouc)
II.2.1.1 Généralité et la mise en œuvre
II.2.1.2 Etude du comportement mécanique de l’élastomère
II.2.2 Renforts en acier (câbles d’acier)
II.2.2.1 Structuration d’un renfort
II.2.2.2 Procédé de la fabrication des renforts
II.3 Nappe de ceinturage en acier : Propriétés physiques
II.3.1 Détermination des propriétés physiques
II.3.1.1 Fraction volumique de renfort
II.3.1.2 Masse volumique du matériau composite
Références Bibliographiques
PARTIE B : Comportement sous des vitesses de déformations rapides
Chapitre III : Analyse expérimentale sous des tractions à grandes vitesses
III.1 Synthèse bibliographique
III.1.1 Techniques expérimentales utilisées
III.1.2 Echelles des matériaux composites
III.1.3 Comportement mécanique des plis unidirectionnels
III.1.3.1 Modules de l’ingénieur
III.1.3.2 Modules d’élasticité hors axes
III.1.4 Endommagements et mécanismes de rupture
III.2 Méthode expérimentale
III.2.1 Essais réalisés et objectifs
III.2.2 Description du dispositif expérimental
III.2.2.1 Machine de traction grande vitesse (TGV)
III.2.2.2 Mors auto-serrant
III.2.3 Moyens d’essais 32
III.2.3.1 Moyens d’observation par caméra optique
III.2.3.2 Moyens d’observation par caméra infrarouge
III.2.4 Eprouvette de caractérisation
III.3 Résultats expérimentaux
III.3.1 Caractérisation des renforts d’acier
III.3.2 Caractérisation hors axes à 45° des nappes d’acier
III.3.3 Caractérisation des nappes d’acier selon la direction transverse
iii Etude de la dégradation de structures composites en caoutchouc soumises à des chocs
III.4 Observation d’endommagement
III.4.1 Observation d’endommagement au bord libre des éprouvettes : Pli 90°
III.4.2 Observation des champs de température
III.5 Effet de la vitesse de déformation
III.6 Modes de rupture
Références Bibliographiques
Chapitre IV : Simulations numériques du comportement de nappes d’acier
IV.1 Synthèse bibliographique
IV.1.1 Modèles analytiques
IV.1.2 Modèles basés sur les calculs par éléments finis
IV.1.2.1 Approche macroscopique
IV.1.2.2 Approche microscopique
IV.2 Identification du comportement des matériaux : Choix du comportement des
constituants
IV.2.1 Choix des modèles du comportement
IV.2.1.1 Le renfort d’acier
IV.2.1.2 La matrice élastomère
IV.2.2 Passage micro-macro
IV.2.2.1 Contrainte et déformation moyenne
IV.2.2.2 Volume élémentaire représentatif et conditions aux limites
IV.2.3 Maillages géométriques et conditions aux limites
IV.2.3.1 La direction longitudinale
IV.2.3.2 La direction transverse
IV.2.3.3 La direction hors axes à 45°
IV.2.4 Méthode d’identification des modèles
IV.3 Résultats des calculs numériques et validation
IV.3.1 Simulation des essais de traction dans la direction longitudinale
IV.3.2 Simulation des essais de traction orientés hors axes à 45°
IV.3.2.1 Identification du module transverse pour les renforts d’acier
IV.3.2.2 Simulation des essais de traction et de l’orientation des renforts sur
les nappes de ceinturage en acier
IV.3.3 Simulation des essais de traction dans la direction transverse : validation des
modèles et mécanismes d’endommagement
IV.3.3.1 Validation du module transverse pour les renforts d’acier
IV.3.3.2 Effet du module transverse des renforts d’acier sur le comportement
transverse pour la nappe de ceinturage
Références Bibliographiques
PARTIE C : Comportement à l’impact par masse tombante et indentation
Chapitre V : Etude de l’impact par masse tombante
V.1 Synthèse bibliographique
V.1.1 Réponse dynamique et modélisation sous l’impact
V.1.2 Caractérisation sous impact par masse tombante, résistance à la perforation et
résistance résiduelle
V.1.3 Endommagements par impact
V.2 Etude expérimentale de l’impact par masse tombante
V.2.1 Objectif des essais d’impact par masse tombante
V.2.2 Eprouvettes d’essai d’impact par masse tombante
V.2.3 Description des dispositifs de la machine d’impact par masse tombante
V.2.3.1 Caractéristiques de la machine d’impact par masse tombante
V.2.3.2 Système d’encastrement et table orientable
V.2.4 Descriptif des essais d’impact par masse tombante
V.2.4.1 Dépouillement de la mesure de force
V.2.4.2 Observation optique des endommagements après impact
V.3 Résultats expérimentaux
V.3.1 Essais d’impact sans pré-tension des renforts
V.3.2 Essais d’impact avec pré-tension des renforts
V.3.3 Essais d’impact avec inclinaisons de l’éprouvette et pré-tension des renforts
V.3.4 Essais d’impact avec différents diamètres d’impacteur et pré-tension des renforts
V.3.5 Essais d’impact sur une bi-nappe croisée avec pré-tension des renforts
V.4 Résistance à la perforation
V.5 Investigation des endommagements par impact
Conclusion
Références Bibliographiques
Chapitre VI : Etude de l’indentation
VI.1 Introduction
VI.2 Etude expérimentale d’indentation
VI.2.1 Objectifs des essais d’indentation
VI.2.2 Eprouvettes d’essais d’indentation
VI.2.3 Moyens d’essais d’indentation
VI.3 Résultats expérimentaux
VI.3.1 Essais d’indentation avec pré-tension d’un brin de renfort unique
VI.3.2 Essais d’indentation avec inclinaison de l’éprouvette et pré-tension d’un brin de renfort unique
VI.3.3 Essais d’indentation avec différents diamètres d’indenteur et pré-tension d’un
brin de renfort unique
VI.3.4 Essais d’indentation avec orientation de l’éprouvette et pré-tension d’un brin de renfort unique
VI.3.5 Essais d’indentation sur éprouvette croisée avec pré-tension
VI.3.6 Essais d’indentation sur plusieurs brins de renforts
VI.3.7 Essais d’indentation sans pré-tension des renforts
VI.4 Mécanismes de rupture des renforts et observation de l’endommagement par indentation
Chapitre VII : Critère de perforation, Obtention et validation
VII.1 Synthèse bibliographique
VII.1.1 Critère de rupture des matériaux composites
VII.1.1.1 Critère phénoménologique
VII.1.1.2 Critère interactifs
VII.2 Analyse des paramètres gouvernant la perforation
VII.2.1 Analyse de la géométrie de l’éprouvette
VII.2.2 Analyse des conditions d’essai
VII.2.3 Analyse des propriétés mécaniques des matériaux
VII.3 Développement du critère de perforation
VII.3.1 Identification des paramètres du modèle : Choix du modèle
VII.3.1.1 Modèle pour l’éprouvette constituée d’un brin de renfort
VII.3.1.2 Paramètre d’interaction pour l’éprouvette ayant plusieurs brins de
renforts ( θk N)
VII.3.1.3 Résultats de l’identification du modèle
VII.3.2 Relation entre le niveau d’énergie d’impact et la charge maximale
VII.3.3 Critère de perforation
VII.3.3.1 Validation générale du critère de perforation pour une nappe de
ceinturage en acier
VII.4 Validation générale du critère de perforation
v Etude de la dégradation de structures composites en caoutchouc soumises à des chocs
Conclusion
Références Bibliographiques
Conclusion

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