Modélisation d'une vanne à tournant sphérique munie d'un joint de polymère viscoélastique

L'entreprise VELAN-Inc., qui est l'un des principaux fabricants mondiaux de robinetterie industrielle, a su rester compétitive grâce à une amélioration constante de ses produits. Les vannes d'étanchéité sont des éléments d'une installation qui doivent être robustes spécialement dans des domaines de pointe tels que le nucléaire ou la chimie. Les joints qui servent à l'étanchéité sont les éléments susceptibles de se détériorer au cours du temps. Ces joints sont pour la plupart faits en matériaux polymères et ont un comportement viscoélastique ce qui les rend sensibles au fluage. Une vanne en particulier dite à tournant sphérique a été étudiée et selon les conditions d'utilisation, trois matériaux sont proposés pour les joints d'étanchéité de la vanne étudiée (le PTFE, le TFM ou le PEEK). VELAN avait préalablement développé un modèle éléments finis élastique de cette vanne, cependant, ce modèle ne prenait pas en compte le caractère viscoélastique des matériaux constituant les joints et aucune simulation de l'évolution des joints dans le temps n'était donc possible. VELAN souhaitait donc développer un nouveau modèle éléments finis capable de mieux prédire le comportement des joints dans le temps et notamment la sensibilité au fluage. L'hypothèse d'utiliser un modèle viscoélastique linéaire a été prise pour décrire le comportement des matériaux des joints. Le développement de ce modèle nécessitait la connaissance de la loi de comportement de chacun des matériaux qui a été déterminée par des essais de fluage en compression, ces essais étant le mode de chargement le plus représentatif de la sollicitation réelle d'un joint. Un banc d'essai de fluage en compression a été développé de façon à pouvoir obtenir les propriétés viscoélastiques des matériaux. Des essais ont été effectués sous différents niveaux de contrainte pendant une durée d'une semaine. Ces données expérimentales obtenues ont montré que le PTFE et le TFM n'avaient pas un comportement viscoélastique linéaire. Cependant, les données de chaque essai de fluage ont ensuite été approximées par un modèle viscoélastique linéaire. Des essais complémentaires de traction et de compression ont entre autres permis de déterminer le coefficient de Poisson. Les paramètres de la loi de comportement de chaque matériau ainsi identifiés ont ensuite été entrés sous la forme requise par le logiciel éléments finis utilisé. Le modèle éléments finis de la vanne a été développé en s'appuyant sur les plans de la géométrie des différentes pièces. Les résultats des simulations ont ensuite été comparés avec des données expérimentales provenant d'essais que VELAN avait préalablement effectués sur des