Evaluation des propriétés de matériaux viscoélastiques par barres de Kolsky

Abstract

The purpose of the study is to develop methods allowing to obtain the mechanical properties of isotropic or anisotropic linear viscoelastic materials in the audible range at each frequency. The method of KOLSKY or HOPKINSON bars which allows to reach this range of frequencies was extended to viscoelastic bars. Viscoelastic properties of the bar are obtained by the measurement of the propagation coefficient which depends on the phase velocity and the attenuation (or damping coefficient) of the bar. Then, normal force and axial particle velocity can be determined at any cross-section. In some cases, mechanical bar impedance may be non-uniform and a method is presented to solve this problem. This method can be also used when the bar is heated for high-temperature tests. To determine viscoelastic properties of composite materials which do not easily conform as a long bar, a method allowing to characterize short rod specimen (10 to 20 cm) is presented. The experimental device uses along instrumented input bar as a measurement device. At the end of this rod, the unknown short viscoelastic rod is stuck. A study of sensitivity allowed to determine with good accuracy the couple [input bar] / [solve method of the inverse problem] to be chosen according to the viscoelastic properties frequencies range. An original experimental device is then built up allowing to reach the frequencies included between 100 Hz and 40 kHz. This method was validated on an isotropic polymer (PVC) and was successfully applied on a Glass / Epoxy composite.

Le but de l'étude est de développer des méthodes permettant d'obtenir fréquence par fréquence les propriétés mécaniques de matériaux viscoélastiques linéaires isotropes ou anisotropes dans la gamme des fréquences audibles. La méthode des barres de KOLSKY ou de HOPKINSON qui permet d'atteindre cette plage de fréquences a été étendue au cas de barres viscoélastiques. Les propriétés viscoélastiques de la barre sont alors obtenues par la mesure du coefficient de propagation complexe qui dépend de la vitesse de phase et de l'atténuation du matériau constitutif de la barre. La force normale et la vitesse particulaire axiale d'une section droite de la barre peuvent ainsi être déterminées en tout point de celle-ci. Dans le cas de barres possédant une impédance mécanique nonuniforme inconnue, une méthode est développée. Elle permet d'atteindre simplement, sans connaissance a priori de la forme de la variation d'impédance de la barre, la force normale et la vitesse particulaire axiale à l'extrémité de celle-ci. Cette méthode peut notamment être utilisée lors d'essais en température. Afin de déterminer les propriétés viscoélastiques de matériaux composites qui ne se conforment pas facilement sous la forme de barre longue, une méthode permettant de caractériser des éprouvettes de faibles longueurs (10 à 20 cm) est présentée. Elle utilise une barre d'entrée longue instrumentée servant de dispositif de mesures au bout de laquelle est collée l'éprouvette à caractériser. Une étude de sensibilités a permis de déterminer avec précision le couple [barre d'entrée] / [méthode de résolution du problème inverse] à choisir en fonction de la gamme de fréquences d'obtention des propriétés viscoélastiques. Un dispositif expérimental original est alors construit permettant d'atteindre les fréquences comprises entre 100 Hz et 40 kHz. Cette méthode a été validée sur un polymère isotrope (PVC) et a été appliquée avec succès à un composite Verre/Époxy.