Investigation of cellular materials multiaxial mechanical behavior

Etude du comportement mécanique multiaxial de matériaux cellulaires

Adrien Donnard (1)

1 I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux

This thesis is focused on the mechanical behavior of foam designed to absorb energy in an airplane pilot seat cushion. Usually, these materials are characterized using uniaxial compressive test. Nevertheless, this uniaxial characterization doesn’t represent the real in-use loading of cushion. To complete these data, this work focuses on multiaxial behavior characterization of foam. The analysis of behavior is realized by using a separation into two contributions linked to the volume (pressure-volume) and the shape (distortion-shear) change. A hydrostatic testing system was developed with the aim to characterize the volume change behavior. Results highlight a strong influence of the volume change behavior during an uniaxial compression solicitation. A second testing system was developed allowing to apply radial solicitations following a kinematic angle, which imposes a non-proportional variation of volume and distortion. A kinematic angle influence is observed on the volume and shape change behavior. Other solicitations composed of compression and shear applied in a sequential way, permit to observe a volume influence on the shape change behavior. Finally, a 2D simulation model composed of 1D element composition shows a good representation of the volume and shape changes behavior obtained from experimentation.

Les travaux de cette thèse s’intéressent au comportement mécanique d’une mousse destinée à l’absorption d’énergie dans une assise de siège pilote. Les méthodes de caractérisation habituelles proposent de solliciter le matériau suivant une seule direction. Cependant, cette caractérisation ne permet pas d’être représentatif des sollicitations lors de l’utilisation de l’assise, qui sont multiaxiales. Cette étude s’intéresse donc à la caractérisation du comportement multiaxial d’une mousse. L’approche originale utilisée est une séparation du comportement en deux contributions: changement de volume (pression-volume) et de forme (distorsion-cisaillement). Un premier moyen d’essais de compression hydrostatique a été développé afin de caractériser le changement de volume. Les résultats mettent en évidence une forte influence de la contribution en changement de volume, lors d’une sollicitation de compression uniaxiale. Un deuxième moyen d’essais a été développé permettant d’appliquer des sollicitations radiales suivant un angle cinématique ϑε, imposant une proportion de volume et de distorsion. Les résultats montrent une forte influence de l’angle cinématique sur les comportements des contributions de changement de volume et de forme. D’autres sollicitations impliquant de la compression et du cisaillement d’une manière séquentielle ont montré une influence du niveau de volume sur le comportement en changement de forme. Enfin, un modèle de simulation 2D par assemblage d’éléments finis 1D, montre une bonne représentation des différents comportements des contributions de changement de volume et de forme obtenus expérimentalement.

Mots clés: Hyperelastic modelization; Multiaxial characterization; Volume and shape change behaviour; Cellular materials

Mots clés: Modélisation hyperélastique; Matériaux cellulaires; Comportement en changement de volume et de forme; Caractérisation multiaxiale

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Adrien Donnard. Etude du comportement mécanique multiaxial de matériaux cellulaires. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2018. Français. ⟨NNT : 2018ENAM0026⟩. ⟨tel-01883415⟩