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Theses Year : 2015

PhD THESIS Experimental Characterization, Modeling and Simulation of Magneto-Rheological Elastomers

THÈSE Caractérisation Expérimentale, Modélisation et Simulation des Elastomères Magnéto-Rhéologiques

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Abstract

In this thesis, we study a class of active materials named Magneto-Rheological Elastomers (MREs) with a main focus on their coupled magneto-mechanical response up to large strains and up to high magnetic fields. With the purpose of achieving a coupled characterization of MREs behavior for the design of haptic interface devices, this work encompasses experimental, theoretical and numerical developments. The first part of this work is dedicated to aspects pertaining to sample fabrication. Isotropic and magnetic field-cured MREs, composed of soft silicone rubber and micrometric carbonyl iron powder, are manufactured using a reliable and repeatable process. A special sample geometry is designed in order to obtain both homogeneous mechanical and magnetic fields during the coupled-field characterization. The interfacial adhesion between the iron fillers and the silicone matrix in MREs submitted to large deformations is investigated and a critical strain threshold is identified beyond which a primer treatment of the particles is needed to prevent debonding between the particles and the matrix. The second part of this thesis focuses on the coupled magneto-mechanical characterization of MREs and involves both theoretical and experimental developments. Based on the general theoretical framework for transversely isotropic magneto-elastic continua proposed by Kankanala, Danas and Triantafyllidis [Kan04, Dan12, Dan14], the coupled magneto-mechanical constitutive laws for both isotropic and anisotropic MREs are used to determine experimentally the corresponding constitutive model’s material parameters. The actual characterization of MREs is conducted thanks to a specially designed and novel experimental setup allowing tensile tests up to large strains and under high magnetic fields. The experimental data thus obtained provide the constitutive models for the isotropic and anisotropic MREs needed as input for the subsequent numerical simulations. The third part of this work pertains to the experiments, modeling and numerical calculations for boundary value problems corresponding to the design of a haptic interface prototype. A coupled variational formulation for a non-uniform applied magnetic field, using displacement, magnetic vector potential and magnetization as independent variables, is proposed and subsequently applied to the solution of the boundary value problem of an MRE layer subjected to the spatially localized magnetic field produced by an electromagnetic coil. The axisymmetric problem is solved numerically using finite element analysis. The device has been built and experimental results are compared to numerical simulations, thus providing a benchmark for the validation of the axisymmetric simulations as well as a proof of concept for the design of haptic interface applications.
Cette thèse porte sur une classe de matériaux actifs nommés Elastomères Magnéto-Rhéologiques (EMR) et en particulier sur leur réponse magnéto-mécanique en grandes déformations et en présence de champs magnétiques élevés. Dans l'objectif d'aboutir à une caractérisation couplée du comportement des EMR pour permettre le design d'interfaces haptiques, ce travail comporte des développements expérimentaux, théoriques et numériques. La première partie de ce travail s'intéresse aux aspects liés à la fabrication des échantillons. Des EMR isotropes et structurés par l'application d'un champ magnétique pendant la fabrication, composés d'une matrice de silicone mou et de particules de fer doux micrométriques, sont fabriqués de façon précise et répétable. Un échantillon dédié est également développé afin d'obtenir simultanément des champs mécaniques et magnétiques homogènes dans celui-ci lors de la caractérisation couplée. La question de l'adhésion interfaciale entre les particules de fer doux et la matrice de silicone est également étudiée pour des EMR soumis à de grandes déformations et un seuil de déformation critique est identifié, au-delà duquel un traitement chimique des particules devient nécessaire pour éviter la décohésion entre les particules et la matrice. La seconde partie de cette thèse couvre la caractérisation magnéto-mécanique couplée des EMR et comporte des développement numériques et expérimentaux. S'appuyant sur le cadre théorique général des solides magnéto-élastiques continus isotropes transverses proposé par Kankanala, Danas and Triantafyllidis [Kan04, Dan12, Dan14], les lois de comportement magnéto-mécaniques couplées pour des EMR isotropes et anisotropes sont utilisées pour obtenir expérimentalement les jeux de paramètres matériaux du modèle de comportement correspondant. La caractérisation expérimentale est réalisée grâce à un dispositif dédié et original permettant de mener des essais de traction uniaxiale en grandes déformations et sous champs magnétiques élevés. Les données expérimentales ainsi obtenues fournissent les modèles de comportement des EMR isotropes et anisotropes nécessaires pour pouvoir mener ensuite des simulations numériques. La troisième partie de ce travail concerne les expériences, la modélisation et les simulations numériques de problèmes aux limites correspondant au design d'un prototype d'interface haptique. Une formulation variationnelle couplée pour un champ magnétique non uniforme, utilisant le déplacement, le vecteur potentiel magnétique et la magnétisation comme variables indépendantes, est proposée et appliquée pour obtenir la solution d'un problème aux limites pour une couche d'EMR soumise à un champ localisé produit par une bobine électromagnétique. Le problème axisymétrique est résolu par éléments finis. Un prototype d'interface haptique a été développé et les résultats expérimentaux sont comparés aux simulations numériques, servant ainsi à la fois de validation expérimentale pour les simulations éléments finis axisymétriques mais aussi de preuve de concept pour l'application technologique correspondante.
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Dates and versions

tel-01228853 , version 1 (13-11-2015)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01228853 , version 1

Cite

Tobias Pössinger. PhD THESIS Experimental Characterization, Modeling and Simulation of Magneto-Rheological Elastomers. Engineering Sciences [physics]. Ecole Polytechnique, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01228853⟩
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