Matériaux hyper-élastiques & joint d'étanchéité

La modélisation numérique : outil d’aide à la conception de solutions d’étanchéité

Les industriels déploient d’importants moyens dans la recherche et le développement de nouvelles solutions d’étanchéité avec des objectifs de performance, de sécurité et de durée de vie en constante croissance.

Il est souvent difficile de prédire le comportement d’un système d’étanchéité en élastomère en fonction des contraintes appliquées (pression, température, vitesse…). Dès lors, les industriels sont amenés à tester, dans les conditions réelles de fonctionnement, un nombre important de solutions d’étanchéité avant d’atteindre les objectifs ambitionnés. L’utilisation de la simulation numérique permet de limiter le nombre de prototypages physiques souvent longs et onéreux.

Depuis 2009, EC2 Modélisation développe une expertise autour de la modélisation et de la simulation numérique des élastomères utilisés dans les assemblages mécaniques destinés aux différentes fonctionnalités telles que :

• Étanchéité aux fluides (air, eau, huile…)
• Dissipation de vibrations,
• Absorption de chocs,
• Tolérance aux très grandes déformations,
• Protection contre l’usure (pièces tampons).

Nous avons recours à la simulation par la méthode des éléments finis (FEM) dans le but d’accompagner nos clients dans la réalisation d’études d’optimisation de profils de joints afin d’atteindre les exigences souhaitées.

La simulation d’un système d’étanchéité : non-linéarité, hyper-élasticité et mécanique des contacts

Les matériaux polymères dont sont constitués les joints d’étanchéité (silicone, caoutchouc, etc…) présentent un comportement mécanique non linéaire. De ce fait, il est incorrect d’établir une constante entre la force et les déplacements ou la contrainte et la déformation du joint. La modélisation du matériau requiert des modèles constitutifs plus complexes aptes à traiter la non-linéarité multiaxiale et les déformations importantes. Nos modélisations sont basées sur des lois matériaux spécialement développées pour les comportements hyper-élastiques (Marlow, Ogden, Mooney Rivlin, Arruda Boyce …). Au cours de nos études et grâce à notre expérience, notre équipe a caractérisé de nombreuses matières sous forme de lois mathématiques.

La principale exigence attendue pour un joint est sa capacité à étancher tout en ne subissant pas de déformations excessives qui conduiraient à sa rupture. Une attention particulière est portée à la simulation des contacts entre les joints et leur environnement. Les éléments d’étanchéité sont simulés en position de fonctionnement en tenant compte des ajustements entre les pièces et des tolérances de fabrication. Les jeux fonctionnels arbre/alésage minimaux et maximaux sont simulés de manière à vérifier toutes les configurations extrêmes de l’assemblage pour vérifier l’étanchéité et la non-détérioration du joint.

Caractérisation thermomécanique de vos matériaux par corrélation essai-simulation

Le comportement fortement non-linéaire des matériaux hyper-élastiques nécessite une caractérisation spécifique de la matière en fonction de l’application client (température, temps, vitesse), afin de reproduire au mieux le comportement réel de la solution d’étanchéité. Notre bureau d’étude, en partenariat avec Mécanium, propose des corrélations essais/simulations afin d’établir des lois matériaux pour tout type de matériaux élastomères simples, ou matériaux composites en élastomère renforcé de tissus (verre, céramique, polyester, aramide, carbone …).

Analyse des modes de défaillance des joints et validation de l’étanchéité

Grâce à une analyse précise des contraintes et déformations dans les joints, nous serons en mesure de prédire les phénomènes de déchirement et d’usure.

EC2 Modélisation accorde une importance particulière aux pressions de contact du joint sur les pièces environnantes qui seront comparées aux pressions du fluide dans le système de manière à conclure sur la bonne capacité du joint à étancher l’assemblage mécanique.

Une analyse des efforts engendrés par les solutions d’étanchéité permettra de contrôler le bon fonctionnement des systèmes mécaniques.

Notre bureau d’étude intervient, dès lors, comme conseiller technique et est en mesure de conclure sur la capacité du joint à se déformer tout en préservant son intégrité dans les conditions les plus défavorables.