Mechanical characterization of solid polymers using inverse analysis: application to high velocity and multiaxial tests - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 1998

Mechanical characterization of solid polymers using inverse analysis: application to high velocity and multiaxial tests

Identification par analyse inverse du comportement mécanique des polymères solides : applications aux sollicitations multiaxiales et rapides

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Yannick Tillier

Abstract

Due to the cost and the complexity of real mechanical tests, simulation softwares are often used by manufacturers of polymer products. The quality of the predictions depends on the use of accurate constitutive equation and parameters. An experimental study using three different polymers (a semicrystallin polyethylene, an amorphous polycarbonate and a toughened polypropylene) shows that the hypotheses usually made when analytical methods are used, are only fulfilled under simple loading conditions and at low strain rates, far from real actual loading. For this reason, an inverse numerical model coupling a finite element simulation software (able to simulate rheological tests accounting complex loading conditions and temperature increase during high velocity tests) and a parameter identification module (based on an iterative Gauss-Newton method) was developed. The constitutive parameters are found minimising the discrepancy (the "cost function") between calculated and experimental forces, and optionally diameter in the case of the existence of a relative movement between the sample and the clamping device. This approach was validated by convergence and stability tests, and successfully applied to "average speed" tension tests. However the difficulty to extrapolate these results to very different loading conditions leads us to revisit the chosen constitutive equation when multiaxial loads are considered.
Les constructeurs de structures polymères doivent leur assurer la tenue que leur utilisation impose (résistance au choc). De façon à remplacer les tests "vraie matière / vraie grandeur" coûteux et laborieux, il est courant d'utiliser des codes de simulation numériques, qui requièrent toutefois l'utilisation de lois de comportement fiables. Le premier chapitre, consacré à l'établissement d'un bilan des lois de comportement les plus aptes à reproduire le comportement global des polymères solides, est suivi d'une étude des méthodes classiquement employées pour dépouiller les essais rhéologiques. Trois polymères différents (un polyéthylène semi-cristallin, un polycarbonate amorphe et un polypropylène copolymère) sont testés afin d'établir une certaine typologie de leurs réponses. Il en ressort que les hypothèses inhérentes aux méthodes de dépouillement analytiques ne sont valables que dans un domaine restreint de sollicitations (basses vitesses, sollicitations uniaxiales...). La méthode d'identification par analyse inverse envisagée dans le chapitre III permet d'éviter la formulation d'hypothèses trop fortes. Elle repose sur l'utilisation d'un logiciel de simulation thermomécanique par éléménts finis des essais rhéologiques, auquel est couplé un module d'optimisation (basé sur la méthode itérative de Gauss-Newton). Les paramètres sont obtenus en minimisant l'écart entre le calcul et l'expérience (fonction "coût"). Après une validation numérique (chapitre IV) de l'algorithme de minimisation utilisé (convergence et stabilité), la technique décrite est finalement appliquée avec succès à chacun des polymères étudiés (chapitre V), dans le cas d'essais de traction "moyennes vitesses". L'écart entre les observables expérimentales et simulées diminue sensiblement par rapport aux méthodes de dépouillement classiques. L'emploi d'une fonction coût mixte (force + diamètre) permet en outre d'identifier simultanément la rhéologie en traction d'un polypropylène et le coefficient tribologique caractérisant le glissement des éprouvettes dans les mors. Le logiciel met également en évidence les limites de la loi de comportement utilisée en traction, dans le cas d'essais multiaxiaux. Moyennant une modification de la loi, l'analyse inverse rend possible l'identification du comportement au choc du polymère à partir d'essais de poids tombant instrumenté. La possibilité d'extrapoler le comportement à d'autres conditions opératoires fait de ce logiciel un outil prédictif.
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Dates and versions

pastel-00001558 , version 1 (10-03-2006)

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  • HAL Id : pastel-00001558 , version 1

Cite

Yannick Tillier. Identification par analyse inverse du comportement mécanique des polymères solides : applications aux sollicitations multiaxiales et rapides. Sciences de l'ingénieur [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 1998. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001558⟩
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