Définition d'une nouvelle grandeur prédictive pour la durée de vie en fatigue des matériaux élastomères
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Abstract EN:
The last decade has experienced a major advance in the development of finite element based tools for the simulation of a wide range of industrial rubber parts. This is mainly motivated by the need to improve time and cost efficiencies in highly competitive industries particularly in automotive Anti-Vibration Systems (AVS) industry. While the basic concept of finite element method capable of predicting stress and strain histories has been well established, the use of these histories to estimate fatigue life of rubber parts in service remains a critical issue. Typically, the fatigue failure process involves a period during which cracks nucleate in regions that were initially free of observed cracks, followed by a period during which nucleated cracks grow to the point of failure. For AVS, the former is the most important one. The three most widely used predictors for rubber crack nucleation are the maximum principal stretch, the maximum principal stress and the strain energy density. However, they fail to give satisfying prediction for multiaxial problems. In order to prevent fatigue failure of rubber parts in service, an efficient and well-defined multiaxial fatigue life predictor is required, i. E. Independent of deformation state, physically motivated, theoretically well-formulated and easy to implement into finite element software. Thus, the purpose of this study is to develop a new fatigue life predictor which can meet these requirements. Experimental observations were conducted to understand physical phenomena which take place during fatigue crack nucleation and growth in rubber. Based on these observations, we consider that the configurational stress tensor introduced by Eshelby in 1951 is an appropriate continuum mechanics quantity to develop a relevant fatigue life predictor. In elasticity, the new predictor is given by the smallest eigenvalue of this tensor and the normal of the crack plan is the eigenvector associated with the smallest eigenvalue. An extension to the case of inelasticity is also proposed. To verify its efficiency, experimental data issued from the literature are considered. Results demonstrate that the proposed predictor is capable of unifying multiaxial fatigue data.
Abstract FR:
Ces dernières années, de nombreux progrès ont été faits dans le domaine de la simulation numérique de pièces en élastomère. Ces avancées sont en grande partie motivées par la nécessité d'améliorer les délais et les coûts de conception dans des domaines industriels fortement compétitifs, et notamment pour les pièces anti-vibratoires automobiles. Dans ce contexte, si les logiciels classiques de type éléments finis sont capables de prédire efficacement l'histoire des déformations et des contraintes au sein des pièces, la prédiction de la durée de vie de celles-ci en fatigue reste un problème ouvert. Le processus de rupture par fatigue dans les élastomères se fait en deux phases : une premère phase d'initiation durant laquelle des micro-fissures apparaissent au sein du matériau, puis une phase de propagation durant laquelle ceux-ci croissent jusqu'à la rupture. Des travaux récents ont démontré que la première phase est prédominante pour la fin de vie des pièces anti-vibratoires. Ainsi, la construction d'une grandeur prédictive effcace doit être capable de déterminer les zones propices à l'apparition de micro-défauts au sein d'une pièce. Les trois grandeurs prédictives classiquement utilisées pour estimer la durée de vie en fatigue des élastomères sont la déformation principale maximale, la contrainte principale maximale et l'énergie de déformation. Si celles-ci s'avèrent effcaces pour des cas de chargement uniaxiaux, leur utilisation pour des cas de chargement multiaxiaux pose problème. Afin de prédire la rupture en fatigue des pièces élastomères en service, une grandeur prédictive efficace dans le domaine mul-tiaxial est nécessaire. Celle-ci doit être indépendante du mode de déformation, motivée par la physique des phénomènes mis en jeu, théoriquement bien fondée et finalement aisément implantable dans les outils numériques. La présente thèse propose de construire une telle grandeur. Des observations expérimentales réalisées préalablement et permettant de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu nous ont conduit à considérer le tenseur des contraintes configurationnelles établi par Eshelby en 1951. Dans le domaine élastique, le nouveau prédicteur proposé est la plus petite valeur propre de ce tenseur, la direction propre associée étant la direction normale au plan d'ouverture de la fissure. L'extension de ces travaux au cas inélastique est aussi développée. Afin de vérifier le bien-fondé de cette théorie, des données expérimentales classiques de la bibliographie ont été utilisées ; les résultats obtenus démontrent l'efficacité de notre approche notamment pour unifier les résultats multiaxiaux en fatigue.