Contribution to the study of the mechanical behavior of a PPS/GF40 under different loadings with the consideration of environment of solicitation effects : experimental study and multi-level modelling for the development of automotive parts
Contribution à l’étude du comportement mécanique d’un PPS/GF40 sous différents chargements avec prise en compte des effets de l’environnement de sollicitation : étude expérimentale et modélisation multi-échelle pour application au développement de pièces automobiles
Résumé
This thesis presents an experimental and theoretical study conducted on a PPS/GF40 and its matrix. Widely used for under-the-hood applications in the automotive industry, those materials are subjected to high temperatures and aging effects of cooling liquid. Therefore, the understanding of those phenomena is essential to design mechanical parts. Thus, an experimental campaign in the tensile mode has been carried out with different temperatures and glycol proportions in the cooling liquid, for monotonic and cyclic loadings on neat and reinforced PPS. The results of these tests allowed us to highlight some of the main physical phenomena occurring during these solicitations under tough hydro-thermal conditions. Taking into account this analysis, a visco-elasto-pseudo-viscoplastic model is proposed. Moreover, this model allows the consideration of the cooling liquid effects and its constituents by temperature/humidity equivalence. The accuracy of the model was confronted to an artificial intelligence based one, in order to study the maximal accuracy physically reachable. Finally, the evolution of the model parameters has been studied with the adjunction of short glass fibres and for specifics orientation distribution. Starting from the study of the mechanical behavior of the PPS matrix, an analytical homogenization was then performed. Differences between experimental and predicted plastic behaviors were highlighted. Finite element analyses considering inter-phase damage were done at different temperatures and for several fiber orientations so to explain differences arising between analytical approach and experimental results. This work allowed a study of the evolution of the impact of this damage on mechanical properties as a function of temperature and fiber orientation. This work led to highlight a weakening of the fiber/matrix interface for a liquid aged composite and to quantify the decrease of the interface properties. Finally, fatigue behavior of the composite is studied as a function of fiber orientation. The modeling parameters determined from the study of the monotonic behavior of the composite were taken into account to propose a prediction of the Wöhler curves as a function of temperature. The prediction of the Wöhler curves as a function of temperature being possible, a 1D model was then proposed in order to evaluate the increase of temperature due to self-heating phenomenon during fatigue loading, considering ageing consequences.
L’immersion permanente dans le liquide de refroidissement et les fortes variations de températures inhérentes à certaines applications automobiles constituant un environnement défavorable aux composites plastiques, les effets de cet environnement sur ces matériaux doit être connus afin de permettre une conception fiable des composants. Cette thèse présente une étude expérimentale et théorique sur un PPS/GF 40 et sa matrice. Les variations de températures et le vieillissement du matériau lié à l’immersion dans le liquide de refroidissement ont été investiguées de manière expérimentale via des essais de tractions cycliques et monotones sur le plastique pur et sur le composite en faisant varier la proportion de glycol dans le liquide de refroidissement. Les résultats de ces essais ont permis l’identification des principaux phénomènes physiques à l’œuvre dans le PPS pur et responsables des évolutions de son comportement mécanique en fonction de cet environnement hydro-thermique. Ces observations expérimentales ont permis la mise en place d’un modèle phénoménologique traduisant le comportement complexe du PPS et de l’extrapoler pour différentes températures. Les effets du vieillissement ont été intégrés au sein de ce même modèle via l’établissement d’une équivalence température/immersion. A partir de l’étude réalisée sur la matrice PPS, le modèle proposé a été extrapolé au niveau du composite via une homogénéisation analytique de son comportement. Un certain écart a été observé entre la prédiction du comportement plastique et le comportement observé expérimentalement. Une investigation par éléments finis de la cohésion fibre/matrice par endommagement d’inter-phase a été menée afin d’expliquer ces différences. Ce travail a permis de mettre en exergue l’influence du vieillissement sur cette cohésion et de quantifier la perte de résistance de cette inter-phase induite par l’immersion. Enfin, une étude expérimentale en fatigue a été menée sur le composite. Les similitudes observées avec le comportement en quasi-statique ont permis de réutiliser des paramètres du modèle développé afin d’extrapoler les courbes de Wöhler pour différentes températures. Cette extrapolation étant alors possible, un modèle 1D a été développé afin d’estimer l’élévation de température induite dans le matériau suite aux phénomènes d’auto-échauffement induits par la sollicitation en fatigue, tout en prenant en considération les effets du vieillissement sur la microstructure du matériau.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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