A numerical study of the influence of polydispersity on the behaviour until break of a reinforced hyperelastic material with a cohesive interface

Étude numérique de l’influence de la polydispersité sur le comportement jusqu’à rupture d’un matériau hyperélastique renforcé avec interface cohésive

¹ Laboratoire PIMM, CNRS, Arts et Métiers ParisTech, 151 bd de l’Hôpital, 75013 Paris, France
paul-ayme.toulemonde@ensam.eu
² Safran Herakles, Centre de recherche du Bouchet, 9 rue Lavoisier, 91710 Vert-le-Petit, France

Received: 13 February 2015
Accepted: 4 May 2015

Abstract

Solid propellants manufacturers commonly monitor the granulometries of the explosive fillers they introduce in the material to pack high filler volume fraction and thus obtain satisfactory energetic performance. However, to our knowledge, the effect of a mix of small and large particles in the micrometric size range in filled elastomers has not yet been fully understood. This work aims at producing a better understanding of the underlying mechanisms that take place in a bidisperse filled elastomer composite under uniaxial loading by using finite element simulations. An original process for creating bidisperse microstructures is proposed and analyzed. The key role of the filler/matrix interface is emphasized through the use of a cohesive zone model. Plane-strain simulations in uniaxial tension of such cells with different fractions of large and small particles are performed.

Résumé

Les concepteurs de propergols choisissent les granulométries des charges explosives insérées dans le matériau afin d’atteindre des fractions volumiques de charge importantes et ainsi maximiser les performances énergétiques. Néanmoins, à notre connaissance, l’effet de l’ajout d’un mélange de petites et de grosses particules de taille micrométrique dans un élastomère chargé n’est pas encore parfaitement compris. Ce travail a pour but d’identifier par simulation éléments finis les mécanismes qui surviennent au sein d’un élastomère chargé avec des particules de deux tailles différentes au cours d’une sollicitation de traction uniaxiale. Une méthode originale de création des microstructures bidisperses est proposée et discutée. Le rôle crucial de l’interface matrice/charge est pris en compte via un modèle de zone cohésive. Des simulations en déformation plane de sollicitations de traction uniaxiale sont menées sur des cellules créées avec la méthode précédente et pour différentes fractions volumiques de petites et de grosses particules.