Contact mechanics of open-cell foams with macroscopic asperities - Archive ouverte HAL Access content directly
Preprints, Working Papers, ... (Preprint) Year : 2024

Contact mechanics of open-cell foams with macroscopic asperities

Mécanique du contact de mousses à cellules ouvertes avec des aspérités macroscopiques

Alexandre Wilkinson
  • Function : Author
  • PersonId : 1185512
Mohamed Rachik
  • Function : Author
  • PersonId : 1038192
Nicolas Dauchez

Abstract

Poroelastic materials mounted against rigid surfaces often result in partial contact between the two, affecting their mechanical interaction. The surface roughness of cellular materials introduces complexity in predicting their behavior due to the interface with partial contact. This interface exhibits a stiffness distinct from the bulk material, which is driven by the surface asperities and the preload. This study conducts compression experiments on an open-cell poroelastic melamine foam, and compares them to finite elements simulations and analytic predictions. The material’s intrinsic stress-strain nonlinearity is accounted for, and an original hyperelastic aging model is proposed to achieve accurate predictions of its compression stiffness across multiple time scales. Predicting the compression stiffness of a macroscopic pyramidal asperity demonstrates a good agreement with the simple analytic solution for an elastic pyramidal geometry. Using a Greenwood-Williamson-like model based on the distribution of asperities of different heights, we propose a method to predict the contact stiffness of a rough surface. Our findings have important implications for understanding and optimizing efficient vibration barriers, resulting from the simple stacking of layers and screens of raw poroelastic materials, a configuration widely adopted in the transportation and civil engineering industries.
Les matériaux poroélastiques montés sur des surfaces rigides crééent souvent du contact partiel entre ces deux composants, ce qui modifie leur interaction mécanique. La rugosité de surface des matériaux cellulaires complexifie la prédiction de leur comportement à cause de cette interface avec du contact partiel. Cette interface est caractérisée par une raideur distincte de celle du matériau poreux, qui est pilotée par les aspérités à leur surface et par la précontrainte appliquée. Cette étude réalise des essais de compression sur de la mousse mélamine, un matériau poroélastique à cellules ouvertes, et les compare à des simulations en éléments finis et à des prédictions analytiques. La non-linéarité entre la contrainte et la déformation intrinsèque du matériau est prise en compte, et un modèle de vieillissement hyperélastique est proposé pour obtenir des prédictions fiables de sa raideur de compression sur plusieurs ordres de grandeur de temps. La prédiction de la raideur de compression d'une aspérité macroscopique en forme de pyramide s'accorde bien avec la solution analytique pour une simple géométrie de pyramide élastique. En utilisant un modèle similaire au modèle de Greenwood-Williamson, basé sur une distribution des aspérités à des hauteurs différentes, nous proposons une méthode pour prédire la raideur de contact d'une surface rugueuse. Les résultats obtenus ont des retombées importantes pour comprendre et optimiser les barrières vibratoires, créées par empilement de couches et d'écrans en matériaux poroélastiques, ce qui est souvent utilisé dans les industries du transport et de l'ingénierie civile.
Fichier principal
Vignette du fichier
manuscript_revised.pdf (4.09 Mo) Télécharger le fichier
Origin Files produced by the author(s)
Licence

Dates and versions

hal-04502703 , version 1 (13-03-2024)

Licence

Identifiers

Cite

Alexandre Wilkinson, Jean-Philippe Crété, Stéphane Job, Mohamed Rachik, Nicolas Dauchez. Contact mechanics of open-cell foams with macroscopic asperities. 2024. ⟨hal-04502703⟩
152 View
29 Download

Altmetric

Share

Gmail Mastodon Facebook X LinkedIn More