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Creep and thermal ratcheting of soft materials under compression

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Kanthabhabha Jeya, Rahul Palaniappan (2018). Creep and thermal ratcheting of soft materials under compression. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

A rapid increase in the utilization of polymer and FRP materials over conventional metallic materials in the production of pressure vessel and piping components has become a global trend. However, factually, the design standards of ASME and its European counterpart for non-metallic materials are not material specific and as a whole vaguely follow the standards of metallic materials. Contrary to metallic PVP components, polymer components are of recent ages and this limits the statistical data available on the materials. Among polymer PVP components, polyvinylchloride (PVC) and high-density polyethylene (HDPE) constitute the majority. The inherent excellent corrosion resistance, lightweight and ease of manufacturing make these two polymer materials the ideal replacement over corrosive and heavy metallic structures. The objective of this research is to characterize the long-term creep and thermal ratcheting of soft materials.

The research revolves around the analysis of thermal ratcheting behavior of the selected PVP polymer materials including PTFE and fiber based gasket materials. The core intent of this thesis is to characterize polymer materials used in bolted flange connections. For the investigation of thermal ratcheting performance of the selected materials, meticulous experimentations were carried out using test rigs equipped with high accuracy sensors. As the operating temperature range of selected flange materials are much different from the considered gaskets, the thermal ratcheting evaluation of flanges and gaskets were performed, separately. All the selected materials were subjected to different compressive loads, various ratcheting temperature and few pre-exposure creep to evaluate the thermal ratcheting phenomenon. The characterization tests of polymers were performed with ring shaped samples. Furthermore, full-scale tests of NPS 3 Class 150 PVC and HDPE flanges were conducted to evaluate the short-term relaxation and the results are compared to the finite element counterpart.

The results provided significant insight on the vulnerability of polymer and soft materials to thermal ratcheting phenomenon. The study on the behavior of selected materials to thermal cycling highlighted the intensification of creep damage on the materials, the magnitude of which varied depending on each material. In addition, thermal ratcheting alters other fundamental properties of flange and gasket materials such as creep modulus and coefficient of thermal expansion.

Titre traduit

Fluage et cumul de déformation par cyclage de température des matériaux mous

Résumé traduit

Une accroissement rapide de l'utilisation des matériaux polymères et PRFV par rapport aux matériaux métalliques conventionnels dans la production de composants de réservoirs sous pression et de tuyauterie est devenue une tendance mondiale. Cependant, les normes de conception de l'ASME ainsi que leurs équivalentes européennes pour les matériaux non métalliques ne sont pas spécifiques aux matériaux et, dans l'ensemble, suivent vaguement les normes des matériaux métalliques. Contrairement aux composants PVP métalliques, les composants polymères sont d'âge récent, ce qui limite les données statistiques disponibles sur ce type de matériaux. Parmi les composants PVP polymères, le polychlorure de vinyle (PVC) et le polyéthylène haute densité (PEHD) en constituent la majorité. L'excellente résistance à la corrosion, la légèreté et la facilité de fabrication font de ces deux matériaux polymères le remplacement idéal aux structures métalliques corrosives et lourdes. L'objectif de cette recherche est de caractériser le fluage à long terme et le rochet thermique des matériaux mous.

L’étude s'articule autour de l'analyse du comportement de rochet thermique des matériaux polymériques PVP sélectionnés, y compris les matériaux de joints à base de PTFE et à base de fibres. Le but principal de cette thèse est de caractériser les matériaux polymériques utilisés dans les assemblages à brides boulonnées. Pour l'étude sur les performances des matériaux sélectionnés à haute température, des expérimentations méticuleuses ont été réalisées à l'aide de bancs d'essais équipés de capteurs de haute précision. Comme la plage de température de fonctionnement des matériaux est très différente de celle des joints considérés, les évaluations thermiques des matériaux de brides et des joints ont été effectuées séparément. Tous les matériaux sélectionnés ont été soumis à différentes charges de compression, différentes températures et étaient dans certains cas pré-exposés au fluage pour évaluer l’interaction avec le phénomène de rochet thermique. Les tests de caractérisation des polymères ont été réalisés avec des échantillons en forme d'anneau. De plus, des essais grandeur nature des brides en PVC et PEHD de classe 150 de NPS 3 ont été effectués pour évaluer la relaxation à court terme et les résultats sont comparés à ceux obtenus avec des modèles numériques utilisant la méthode des éléments finis.

Les résultats ont permis de mieux comprendre la vulnérabilité des polymères et des matériaux mous en général au phénomène de rochet thermique. L'étude sur le comportement des matériaux sélectionnés aux cycles thermiques a mis en évidence l'intensification des dommages par fluage sur les matériaux, dont l'ampleur varie en fonction de chaque matériau. De plus, le rochet thermique modifie d'autres propriétés fondamentales des matériaux des brides et des joints, comme le module de fluage et le coefficient de dilatation thermique.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 164-169).
Mots-clés libres: assemblage de bride boulonné, rochet thermique, PEHD, PVC, PTFE et joints à base de fibres, fluage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bouzid, Abdel-Hakim
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 05 févr. 2019 18:43
Dernière modification: 05 févr. 2019 18:43
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2193

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