Mechanical behaviour and numerical simulation of behaviour of polymeric foams under static and dynamic loading.
Caractérisation mécanique et modélisation numérique du comportement des mousses polymériques sous sollicitations statiques et dynamiques
Résumé
Expanded cellular materials such as polypropylene foams (EPP) are often used in applications of protection and passive safety owing to their great impact energy absorption and the simplicity of implementation. In order to optimize the use of these materials, it is necessary to provide reliable data to numerical computer codes to simulate the behaviour of these materials in particular under conditions of crash loading. Thus, it is essential to characterize in experiments the behaviour of these materials as close as possible to the conditions they can undergo, such as impact loadings, starting with those, which are realistically possible to reproduce in laboratory. Therefore, a compressive vi scholastic Split Hopkinsoll Pressure Bar (SHPB) was developed to reach high strain rates ('" 1500 8-1), and a fly-wheel with a great inertia w"" adapted for intermediate loading velocities ('" 200 8- 1) . The use of these devices have demonstrated the influence of the foam strain rate and density (from 35 to 150 kg. rn-3 ) on the initial collapse stress and the hardening modulus in the post-yield plateau region. Then, these same tests preformed in a fluid chamber highlighted the high contribution of the gas trapped in the closed cells, curing dynamic loading. Finally, a Discrete Element Method (DEM) was developed to model the behaviour of these materials at microscopy scale. This "discrete" approach makes it possible to better understand the phenomena that govern the behaviour of these materials during their compression. First simulation results highlighted the main mechanisms that can lead to high strain localisation during compression and make it possible to quantitatively identify the influence of the microstructure on the behaviour of these materials.
Les matériaux cellulaires telles que les mousses polymériques sont souvent employés dans des applications de protection et de sécurité passive grâce à leur grande capacité spécifique d'absorption d'énergie et leur facilité de mise en oeuvre. Afin d'optimiser l'utilisation de ces matériaux, il est nécessaire de fournir des données fiables aux codes de calculs numériques pour simuler le comportement de ces matériaux notamment dans des conditions de crash. Il est donc indispensable de caractériser expérimentalement le comportement de ces matériaux au plus proche des conditions réelles qu'ils peuvent subir, tel que des chargement de type impact, à commencer par ceux que l'on peut reproduire objectivement en laboratoire. Ainsi, une barre d'Hopkinson viscoélastique de compression a été développée pour atteindre des grandes vitesses de déformation (de 1000 à 3000 s^(-1), et une roue à grande inertie pour des chargement à des vitesses de déformation moindres (de 100 à 500 s^(-1) . L'emploie de ces dispositifs a permis de montrer la sensibilité de ces matériaux à la vitesse de déformation et à la densité sur leur phase de comportement plateau. Puis, ces mêmes essais réalisés dans de l'eau ont mis en évidence l'importance que prend le gaz contenu dans les cellules lors de sollicitations de compression dynamiques. Enfin, une modélisation par éléments discrets a été mise en oeuvre afin de modéliser le comportement de ces matériaux à l'échelle microscopique. Cette approche "discrète" a permis de mieux appréhender les phénomènes qui régissent le comportement de ces matériaux lors de leur compression. Les premiers résultats issus de ces simulations ont mis en évidence les principaux mécanismes responsable de la localisation des déformation lors de leur compression et ont permis d'identifier qualitativement le rôle de la microstructure sur le comportement de ces matériaux.