Analyse multi-échelle de la fissuration des élastomères chargés – AMUFISE

L'économie de nos ressources naturelles est aujourd'hui un enjeu fort pour l'industrie du pneumatique, tant sur le plan sociétal que sur le plan économique. Le juste dimensionnement -l'allégement du pneumatique tout en progressant encore sur sa sécurité, sa fiabilité et sa longévité – est un véritable défi qui doit s'appuyer sur une compréhension poussée des mécanismes relatifs à sa résistance en fatigue. Dans le cas particulier des élastomères chargés qui représentent la majeure partie des constituants du pneumatique, la connaissance de la résistance à la propagation de fissure en fatigue est très empirique et la dynamique de progrès sur la conception des matériaux est faible. Nous souhaitons ouvrir de nouvelles voies d'innovation ou d'optimisation dans le domaine des élastomères chargés, en développant une approche de compréhension de l'endommagement en pointe de fissure (depuis les aspects méthodologiques d'études expérimentales et de modélisation, jusqu'au développement d'outils prédictifs guidant de nouvelles formulations). A l'aide de cette approche nous espérons comprendre comment les paramètres de micro-structure du matériau impactent à l'ordre un les propriétés intrinsèques de résistance à la fissuration. Cette compréhension des mécanismes mis en jeu est à ce jour relativement pauvre et controversée. Elle bute notamment sur le couplage de phénomènes variés à différentes échelles : comportement du matériau en grandes déformations avec éventuellement de l'accommodation, de l'anisotropie ou du renforcement, endommagement du matériau, auto-échauffement, évolution des champs mécaniques et thermiques via les modifications géométriques de la pointe de fissure, etc… Notre projet s'inscrit dans une démarche multi-échelle permettant de faire le lien entre l'échelle physico-chimique (structure de la matière, de quelques nanomètres à quelques micromètres), l'échelle des phénomènes s'exprimant en pointe de fissure (quelques centaines de micromètres), et l'échelle de la structure (quelques centimètres). L'approche doit relier physico-chimie, endommagement physique et mécanique des milieux continus. Elle s'appuiera sur la proposition d'une loi de comportement pour élastomères chargés, évolutive avec la fatigue et d'un modèle d'endommagement en tête de fissure basé sur la compréhension des mécanismes locaux. Ces modèles, basés sur de nombreuses mesures expérimentales, seront intégrés à une simulation de la fissure par éléments finis. La technique de corrélation d'images numériques sera utilisée pour comparer les champs de déplacement expérimentaux en tête de fissure et ceux simulés, afin d'améliorer les différents modèles, via un processus itératif. Outre les difficultés de modélisation liées à la nécessité d'établir une cohérence entre le champ de petite échelle et le champ lointain généré par la structure, le caractère ambitieux du projet réside dans la mise en commun de plusieurs aspects qui sont individuellement mal maîtrisés aujourd'hui pour les élastomères chargés. D'une part, l'origine physico-chimique de l'endommagement en tête de fissure n'est pas à ce jour connue pour les élastomères, en partie parce que la caractérisation de la zone d'élaboration en tête de fissure est délicate. D'autre part, les lois de comportement des élastomères chargés sont difficiles à mesurer et à modéliser, car elle sont très non linéaires et très sensibles à toute l'histoire du chargement. Enfin, les formalismes d'endommagement existants (développés pour d'autres matériaux) et la mesure des champs de déplacements surfaciques par corrélation d'images numériques n'ont jamais été appliqués aux élastomères. L'approche globale de ce projet mêle donc plusieurs échelles d'analyse et plusieurs physiques (de la physico-chimie microstructurale du matériau à la mécanique des milieux continus). Chacune pose des difficultés particulières, et leur couplage est un problème en soi. Un travail commun d'autant de spécialistes joignant leurs compétences sur la même