• Langue : Anglais
• Discipline : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Identifiant : 2024ULILN046
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 05/12/2024

Résumé en langue originale

Cette thèse explore en profondeur les mécanismes de renforcement et de propagation des fissures dans les matériaux viscoélastiques souples, focalisant sur les effets de l'adoucissement de Mullins, les mécanismes d'endommagement interfacial, l'impact du vieillissement thermique, ainsi que la représentation constitutive. Le premier chapitre propose une analyse par éléments finis de la propagation de fissures en régime permanent dans des solides viscoélastiques, où l'adoucissement de Mullins est étudié en relation avec le module de relaxation et le temps de relaxation. Ce chapitre évalue la façon dont ces facteurs influencent l'énergie de rupture et la vitesse de propagation des fissures, en mettant en lumière l'interaction complexe entre les mécanismes de dissipation énergétique et la ténacité des matériaux. La modélisation utilise un modèle de zone cohésive pour simuler les processus localisés en pointe de fissure, ce qui permet d'obtenir une meilleure compréhension du seuil de libération d'énergie locale et de son impact sur la dynamique de propagation des fissures. Le deuxième chapitre examine les composites de PDMS (polydiméthylsiloxane) renforcés par des fibres de carbone, détaillant comment l'introduction des fibres améliore la rigidité tout en entraînant des phénomènes de décohésion interfaciale et un accroissement de l'effet Mullins. Une combinaison d'expériences mécaniques rigoureuses et de simulations numériques est utilisée pour étudier la croissance des fissures et les mécanismes de renforcement. Ce chapitre met également en lumière les morphologies microscopiques des matériaux et utilise un modèle de zone cohésive pour simuler la propagation des fissures, offrant ainsi une compréhension améliorée de l'interaction entre les caractéristiques structurales et les comportements mécaniques. Le troisième chapitre développe un modèle prédictif pour le comportement de l'EPDM (monomère d'éthylène-propylène-diène) vieilli thermiquement, analysant les effets des changements moléculaires sur la viscoélasticité et la résistance à la rupture. Ce chapitre présente une approche basée sur des données de vieillissement accéléré et intégrant les comportements de scission de chaîne et de réticulation dans le modèle de viscoélasticité. Il examine la propagation des fissures sous diverses conditions de chargement, utilisant un modèle de zone cohésive pour simuler la diminution de l'énergie de rupture intrinsèque. Cette approche permet une analyse détaillée du comportement au voisinage de la pointe de fissure pour des temps de vieillissement étendus. Le quatrième chapitre présente un modèle constitutif tridimensionnel pour analyser la réponse viscoélastique multiaxiale des composites SBR (caoutchouc de styrène-butadiène) et NR (caoutchouc naturel) renforcés par du noir de carbone. Ce modèle physiquement fondé, combinant une approche micromécanique et un modèle de résistivité, évalue les mécanismes de renforcement et de rupture des agglomérats sous sollicitations biaxiales. Ces différents chapitres fournissent des perspectives utiles pour la conception et l'optimisation de matériaux viscoélastiques souples, avec des implications significatives pour les applications industrielles et biomédicales.

Résumé traduit

This thesis delves into the mechanisms of toughening and crack propagation in viscoelastic soft materials, focusing on the effects of Mullins softening, interfacial damage mechanisms, the impact of thermal aging, as well as constitutive representation. The first chapter offers a finite element analysis of steady-state crack propagation in viscoelastic solids, studying Mullins softening in relation to the relaxation modulus and relaxation time. This chapter assesses how these factors influence the fracture energy and crack propagation velocity, highlighting the complex interaction between energy dissipation mechanisms and material toughness. The modeling employs a cohesive zone model to simulate localized processes at the crack tip, thus improving understanding of the local energy release threshold and its impact on crack dynamics. The second chapter examines PDMS (polydimethylsiloxane) composites reinforced with carbon fibers, detailing how fiber introduction enhances stiffness while leading to interfacial debonding and an increase in the Mullins effect. A combination of rigorous mechanical experiments and numerical simulations is used to study crack growth and toughening mechanisms. This chapter also sheds light on the microscopic morphologies of the materials and utilizes a cohesive zone model to simulate crack propagation, thereby enhancing understanding of the interaction between structural characteristics and mechanical behaviors. The third chapter develops a predictive model for the behavior of thermally aged EPDM (ethylene propylene diene monomer) rubber, analyzing the effects of molecular changes on viscoelasticity and fracture resistance. This chapter introduces an approach based on accelerated aging data, incorporating chain scission and cross-linking behaviors into the viscoelasticity model. It investigates crack propagation under various loading conditions, using a cohesive zone model to simulate the reduction in intrinsic fracture energy. This approach allows for detailed analysis of the behavior near the crack tip for extended aging times. The fourth chapter presents a three-dimensional constitutive model to analyze the multiaxial viscoelastic response of SBR (styrene-butadiene rubber) and NR (natural rubber) composites reinforced with carbon black. This physically-based model, combining a micromechanical approach and a resistivity model, assesses the toughening mechanisms and agglomerate breaking under biaxial loading conditions. These chapters provide valuable perspectives for the design and optimization of viscoelastic soft materials, with significant implications for industrial and biomedical applications.