Nonlocal hygro-mechanical damage modeling of reinforced thermoplastic structures in relation with the microstructure
Modélisation hygro-mécanique non locale de l’endommagement dans les structures thermoplastiques renforcées en relation avec la microstructure
Résumé
Thermoplastics and glass reinforced thermoplastic composites have a wide range of applications thanks to their strong physical properties and ease of production. Today, they are used in medical equipment, mechanical components in automobiles, packaging, and many other industries. Considering their broad applicability, they are employed in a variety of environmental and loading conditions. Thermoplastics often exhibit several nonlinear inelastic mechanisms, such as rate dependency, hygro-thermal sensitivity, and ductile damage, to name but few. With this in mind, modeling and predicting this complex behavior requires addressing certain challenges, some of which are presented in this research as follows.To predict the mechanical responses of thermoplastics, viscoelasticity, viscoplasticity, and ductile damage are considered, which has already been developed as a phenomenological model based on the von Mises yield function. However, thermoplastics are also pressure-sensitive materials that exhibit tension-compression asymmetry in yield behavior, and the von Mises yield function satisfies none of them. This study presents an yield function that captures both hydrostatic pressure effect and asymmetric yield behavior, based on which a parametric study is performed and the behavior of the model under cyclic and multi-axial loading is studied.The water uptake influences the behavior of the material by affecting the glass transition temperature, which changes the mechanical responses from rubbery to glassy. To this end, an experimental campaign is designed to calibrate the models based on von Mises and yield functions, taking into account different Relative Humidity (RH) levels. The data extracted from the mechanical tests are used to first study experimentally the effect of water uptake and then to observe the RH influence on the model parameters.Thermoplastics exhibit softening behavior at high levels of damage leading to an ill-posed problem in the local continuum framework and consequent instabilities and non-objectivity in the finite element models. To address this problem, a gradient enhanced nonlocal approach is adopted to introduce the nonlocal length scale into the local continuum model. Two different options are introduced as nonlocal variable: first nonlocal damage and then nonlocal hardening state variable. A parametric study is implemented to evaluate the effectiveness of both options in treating non-objective and non-physical responses in a severely damaged material.Another task of this thesis is to adopt a nonlocal-type model for polymer-based composites. To this end, the scale separation and application of the nonlocal field at macro and micro scales are investigated by extending the nonlocal model into a multi-scale framework, upon which an appropriate Mori-Tanaka/TFA homogenization framework is defined. Parametric studies reveal that when the nonlocal length scale is set at the microscale, the basic theoretical assumptions of homogenization are not satisfied, and the non-objective localization of state variables at the macroscale is not addressed. As a key conclusion from the present study, the application of the nonlocal hardening state variable shows good efficiency in addressing the localization of internal state variables, specially plasticity and damage, and the presented nonlocal multi-scale framework leads to more stable responses compared to the conventional model when the material is heavily damaged.
Les thermoplastiques et les composites thermoplastiques renforcés de verre ont de nombreuses applications grâce à leurs solides propriétés physiques et à leur facilité de production. Aujourd'hui, ils sont utilisés dans les équipements médicaux, les composants mécaniques des automobiles, les emballages et de nombreuses autres industries. Compte tenu de leur large applicabilité, ils sont employés dans une variété de conditions environnementales et de chargement. Les thermoplastiques présentent plusieurs mécanismes inélastiques non linéaires, tels que la dépendance au taux, la sensibilité hygro-thermique et l'endommagement ductile, etc. Dans cette optique, la modélisation et la prédiction de ce comportement complexe nécessitent de relever certains défis, dont certains sont présentés dans cette recherche comme suit. Pour prédire les réponses mécaniques, on considère la viscoélasticité, la viscoplasticité et l'endommagement ductile, qui a déjà été développé comme un modèle phénoménologique basé sur la fonction d'élasticité de von Mises. Cependant, les thermoplastiques sont également des matériaux sensibles à la pression qui présentent une asymétrie tension-compression dans le comportement d'élasticité, et la fonction d'élasticité de von Mises ne satisfait aucun d'entre eux. Cette étude présente une fonction d'élasticité I1-J2 qui capture à la fois l'effet de la pression hydrostatique et le comportement asymétrique du rendement, sur la base de laquelle une étude paramétrique est réalisée et le comportement du modèle sous chargement cyclique et multi-axial est étudié. L'absorption d'eau influence le comportement du matériau en affectant la température de transition vitreuse, ce qui change les réponses mécaniques de caoutchouteuses à vitreuses. À cette fin, une campagne expérimentale est conçue pour calibrer les modèles basés sur les fonctions de rendement de von Mises et I1-J2, en tenant compte de différents niveaux d'humidité relative (RH). Les données extraites des essais mécaniques sont utilisées pour étudier expérimentalement l'effet de l'absorption d'eau, puis pour observer l'influence de l'humidité relative sur les paramètres du modèle. Les thermoplastiques présentent un comportement de ramollissement à des niveaux élevés d'endommagement, ce qui mène à un problème mal posé dans le cadre du continuum local et, par conséquent, à des instabilités et à la non-objectivité des modèles par éléments finis. Pour résoudre ce problème, une approche non locale améliorée par le gradient est adoptée pour introduire l'échelle de longueur non locale dans le modèle de continuum local. Deux options différentes sont introduites comme variable non locale : d'abord l'endommagement non local et ensuite la variable d'état de durcissement non local. Une étude paramétrique est mise en œuvre pour évaluer l'efficacité des deux options dans le traitement des réponses non-objectives et non-physiques dans un matériau sévèrement endommagé. Une autre tâche de cette thèse est d'adopter un modèle de type non local pour les composites à base de polymères. A cette fin, la séparation d'échelle et l'application du champ non local à des échelles macro et micro sont étudiées en étendant le modèle non local dans un cadre multi-échelle, sur lequel un cadre d'homogénéisation Mori-Tanaka/TFA approprié est défini. Des études paramétriques révèlent que lorsque l'échelle de longueur non locale est déterminée à l'échelle microscopique, les hypothèses théoriques de base de l'homogénéisation ne sont pas satisfaites, et la localisation non objective des variables d'état à l'échelle macroscopique n'est pas traitée. La principale conclusion de la présente étude est que l'application de la variable d'état de durcissement non locale est efficace pour traiter la localisation des variables d'état internes, et que le cadre multi-échelle non local présenté conduit à des réponses plus stables par rapport au modèle conventionnel lorsque le matériau est fortement endommagé.
Origine : Version validée par le jury (STAR)