Modeling of the Thermomechanical Behavior of an Epoxy Resin Subjected to Elevated Temperatures and Experimental Verification

Ce travail présente une étude sur le comportement thermomécanique d'une résine époxy. Un montage expérimental a d'abord été développé afin de pouvoir réaliser des essais mécaniques sur des matériaux polymères à haute température. Ce montage permettait d'appliquer sur les échantillons des histoires de chargement complexes en contrainte et température, tout en permettant une mesure précise de la charge appliquée, de la déformation induite, de la température et du déplacement des mâchoires hydrauliques. Le montage fut utilisée afin d'étudier la réponse de la résine époxy à la fois selon des tests isothermes de fluage-recouvrance uniaxial ainsi que selon des histoires de chargement complexes en contrainte et température. Le comportement de la résine fut caractérisé d'après un nouveau modèle viscoélastique non linéaire de type Schapery. L'étude a d'abord tenté de vérifier la pertinence d'utiliser des données provenant de tests de fluage-recouvrance réalisés dans des conditions isothermes afin de déterminer les paramètres du modèle et prédire la réponse du matériau dans des conditions thermomécaniques complexes. Puis, des données provenant à la fois des courbes de fluage-recouvrance isothermes et des histoires de chargement complexes en contrainte et température furent utilisées afin d'obtenir les paramètres du modèle. Les résultats démontrèrent que cette approche ne permettait pas d'obtenir une amélioration significative des prédictions du modèle. Les paramètres du modèle de comportement furent finalement obtenus selon une nouvelle approche utilisant seulement l'information fournie par les histoires de chargement complexes en contrainte et température. Le modèle obtenu fut vérifié en comparant les données expérimentales avec les prédictions du modèle pour des essais de fluage-recouvrance. Les prédictions du modèle identifié avec cet ensemble de données ont fourni des résultats satisfaisants. Ces résultats présentent une source de motivation pour de futures recherches visant à concevoir des tests optimisés afin d'obtenir des paramètres fiables avec un nombre limité de données expérimentales.

Abstract

This work presents a study of the thermo-mechanical behavior of an epoxy resin. An experimental setup was initially developed to perform mechanical tests on polymers at high temperature. The setup allowed applying complex stress and temperature histories while delivering precise load, strain, temperature and displacement measurement. The setup was used to investigate the response of the epoxy resin through both unixial isothermal creeprecovery tests as well as time varying stress and temperature histories. The material response was predicted using a new Schapery-type constitutive model. Characterization of the epoxy resin was firstly done using isothermal creep and recovery data at different temperatures and stress levels. The accuracy of this standard modeling approach was then validated under complex loading and temperature histories. Next, data coming from transient stress and temperature load histories were used together with isothermal creep and recovery curves to obtain the material parameters. Results shown that the approach did not significantly help obtaining a better representation of the material behavior. The parameters of the constitutive model were also obtained according to a new approach that consists of using the limited amount of data provided by one complex stress and temperature history. The model obtained was verified by comparing experimental data and predicted responses of various isothermal creep and recovery curves. Results were acceptable and represent a motivation for future research aiming at designing optimized tests to obtain reliable viscoelastic models using a limited amount of experimental data.