Investigation of the dynamic compaction of polymeric foams: Experiments and modelling
Etude de la compaction dynamique de mousses polymères : Expériences et modélisation
Résumé
Polymeric foams are widely used in many industrial applications as thermal insulators, structural materials or shock mitigators. Indeed, they are lightweight materials with an excellent weight/stiffness ratio and low production costs. One of the applications which interests the CEA is the protection of structures against mechanical loadings generated by laser irradiations or high velocity impact of small debris.
The main objective of this PhD thesis is to investigate the mitigation capability of an expanded polyurethane foam and an epoxy syntactic foam against extremely fast (> 10^6 s^-1) and intense (> 10 GPa) dynamic loadings.
Cyclic quasi-static tests and dynamic experiments have been performed to investigate the behavior of these two foams for strain rates ranging from 10^-3 to 10^6 s^-1. Analysis of the experimental results shows that these polymeric foams have an elastic behavior phase followed by a compaction phase with significant permanent sets. Compaction thresholds are about 9 MPa for the polyurethane foam and 30 MPa for the epoxy foam under quasi-static loadings and around 21 MPa for the polyurethane foam and 72 MPa for the epoxy foam for strain rates above 10^4 s^-1.
Two porous compaction models are developed to represent the macroscopic behavior of these foams for such strain rates. The parameters are identified from the results of dynamic compression experiments (gas gun, low inductance generator). The validity of the models is tested by comparing calculated velocity profiles with an explicit hydrocode and velocity profiles measured during the experiments. These models are then used to analyze the results obtained with electron beam irradiation and laser-driven shock experiments. We demonstrate that the studied polymeric foams have high mitigation capabilities and that the models are valid for high strain rates.
Les mousses polymères trouvent de nombreuses applications industrielles en tant qu'isolants thermiques, matériaux de structuration ou atténuateurs de choc. En effet, il s'agit de matériaux légers, possédant un excellent rapport masse/rigidité, et demandant de faibles coûts de production. Une des applications envisagées par le CEA est la protection de structures face à des chargements mécaniques générés lors d'irradiations laser ou lors d'impacts de débris micrométriques.
L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la capacité d'atténuation d'une mousse expansée en polyuréthane et d'une mousse syntactique à matrice époxy face à des sollicitations dynamiques extrêmement rapides (> 10^6 s^-1) et intenses (> 10 GPa). Des essais quasi-statiques de compression/décompression et des expériences dynamiques ont été réalisés pour analyser le comportement de ces deux mousses pour des vitesses de déformation allant de 10^-3 à 10^6 s^-1. L'analyse des résultats expérimentaux montre que ces mousses polymères ont une phase de comportement élastique suivie d'une phase de compaction conduisant à des déformations irréversibles importantes. Les seuils de compaction sont estimés à 9 MPa pour la mousse polyuréthane et 30 MPa pour la mousse époxy en régime quasi-statique, et à 21 MPa pour la mousse polyuréthane et 72 MPa pour la mousse époxy lorsque la vitesse de déformation dépasse 10^4 s^-1.
Deux modèles physico-numériques sont développés pour représenter le comportement macroscopique de ces mousses à de telles vitesses de déformation. Les paramètres sont identifiés à partir des résultats d'expériences de compression dynamique (lanceur à gaz, générateur de pression magnétique). La validité des modèles est testée en comparant les profils de vitesse calculés à l'aide d'un code dynamique explicite et les profils de vitesse mesurés lors des expériences. Ces modèles sont ensuite utilisés pour analyser les résultats obtenus lors d'expériences d'irradiation par faisceau d'électrons et de choc laser. Nous démontrons ainsi que les mousses polymères étudiées ont une forte capacité d'atténuation et que les modèles proposés sont valides à grande vitesse de déformation.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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