Structural engineering has progressed from design for life safety limit states to performance based engineering, in which energy dissipation systems in structural frameworks assume prime importance. A visco-hyperelastic device is a completely new type of passive energy dissipation system that not only combines the energy dissipation properties of velocity and displacement dependent devices but also provides additional stability to the structure precluding overall collapse. The device consists of a viscoelastic material placed between two steel rings. The energy dissipation in the device is due to a combination of viscoelastic dissipation from rubber and plastic dissipation due to inelastic behavior of the steel elements. The device performs well under various levels of excitation, providing an excellent means of energy dissipation. The device properties are fully controlled through modifiable parameters. An initial study was conducted on motorcycle tires to evaluate the hyperelastic behavior and energy dissipation potential of circular rubber elements, which was preceded by preliminary finite element modeling. The rubber tires provided considerable energy dissipation while displaying a nonlinear stiffening behavior. The proposed device was then developed to provide additional stiffness that was found lacking in rubber tires. Detailed finite element analyses were conducted on the proposed device using the finite element software package ABAQUS, including parametric studies to determine the effect of the various parameters of device performance. This was followed by a nonlinear dynamic response history analysis of a single-story steel frame with and without the device to study the effects of the device in controlling structural response to ground excitations. Static analyses were also done to verify the stabilizing effects of the proposed device. Results from these analyses revealed considerable energy dissipation from the device due to both viscoelastic as well as plastic energy dissipation. Detailed experimental analyses on the proposed device, finite element analyses of the device on multistory structures have been put forth as the areas of future research. It may also be worthwhile to conduct further research, as suggested, in order to evaluate the use of scrap tires which is potentially a very valuable structural engineering material. / Master of Science

Le soufflage des bouteilles en polyéthylène téréphtalate (PET) génère des modifications importantes des propriétés mécaniques du matériau comme le montre l'étude de caractérisation des propriétés hétérogènes et anisotropes réalisée sur le fond pétaloïde, une partie 3D de géométrie complexe de bouteille soufflée présentée en fin de mémoire. L'étude principale présentée dans ce rapport s'inscrit dans le cadre du procédé de soufflage par bi-orientation où le matériau, qui se trouve à des températures légèrement supérieures à la température de transition vitreuse (Tg), est fortement biétiré générant ainsi de grandes modifications de morphologie microstructurale. Pour permettre à terme une simulation numérique du procédé qui prenne en compte ces modifications de propriétés en cours de soufflage, l'objectif de la thèse est de décrire le comportement du PET par un modèle visco hyperélastique original en grandes déformations, d'identifier ce modèle couplé à la thermique à partir des données expérimentales très récentes de tension biaxiale à des conditions de vitesse et de température proches du procédé et enfin d'implanter ce modèle pour la simulation du procédé. En parallèle, les aspects thermiques, qui s'avèrent fondamentaux pour le procédé, sont explorés via une identification des propriétés thermiques réalisée sur la base d'essais de chauffage infrarouge et de mesure de champs par caméra thermique. La proximité de Tg rend les propriétés mécaniques très sensibles aux moindres variations de température aussi est-il particulièrement important de prédire correctement les conditions thermique initiales de la préforme avant soufflage. De plus, la très forte viscosité à ces températures génère une dissipation importante et qui contribue à l'auto échauffement du matériau modifiant les propriétés mécaniques au cours du temps. La formulation de ce problème thermo-mécanique couplé est implémenté et résolu par la méthode des éléments finis pour simuler le gonflage des préformes / The stretch blow moulding process for polyethylene terephthalate (PET) bottles generates important modifications of the mechanical properties of the material as it can be shown in an identification study of the orthotropic and heterogeneous elastic properties in the 3D region of the petaloïd bottom of PET bottles. The main topic of this work deals with the modelling of the complex behaviour of the PET during the process that is managed at a temperature slightly above the glass transition temperature Tg. In this range of temperature and considering the high strain rates involved during the process, large changes in the material morphology can be observed and the goal of this work is to propose a visco hyperelastic model to predict the PET behaviour under these severe conditions: large deformations, high strain rate… An original procedure is proposed to manage the identification of the material properties from the experimental data of recent biaxial elongation tests. On the other hand, effects of temperature are of fundamental importance during the injection stretch blow moulding process of PET bottles. Near Tg small variations of temperature have great influence on physical properties: an accurate prediction of the initial temperature field generated by the infrared heating is proposed. Also, the important viscous dissipation induces self-heating of the material during the process which is necessary to be taken into account during the numerical simulation. The identification of the thermal parameters is achieved by an experimental infrared heating study. The global thermo mechanical model is implemented and numerical simulations are managed using the finite element method to solve the free blowing of PET preforms

La mousse flexible de polyuréthane est couramment utilisée dans nombreuses applications telles que acoustiques, thermiques et de bâtiment grâce à sa faible densité et à son pouvoir d’isolation thermique et acoustique. Elle est également utilisée dans les applications de confort pour les sièges tels que véhicule, train, avion etc. grâce sa faible raideur et à son pouvoir à absorber l’énergie de déformation. Pour optimiser le confort des systèmes d’assise, il est nécessaire de modéliser le siège et en particulier la partie flexible, c’est-à-dire la mousse de polyuréthane. Les objectifs principaux de cette thèse consistent à identifier puis à modéliser le comportement quasi-statique de la mousse de polyuréthane sous différentes conditions d’essais sous grandes déformations. Des essais de compression/décompressions unidirectionnels monocycle et multicycle à différentes vitesses de déformations ont été réalisés sur trois types de mousse de polyuréthane, afin de comprendre le comportement du matériau. Ces essais ont permis de déduire que les mousses de polyuréthanes sous grandes déformations présentent à la fois un comportement hyperélastique et un comportement viscoélastique. Ils ont également montrés que les mousses de polyuréthanes présentent un phénomène d’assouplissement appelé ‘effet de Mullins’ lors que les essais de compression/décompressions multicycle, c’est-à-dire que les contraintes dans 1er cycle sont moins faibles que les contraintes dans les cycles suivants pour une même déformation. Sur la base des résultats d’expérimentaux et afin de modéliser le comportement quasi-statique de la mousse de polyuréthanne, nous avons développé trois modèles visco-hyperélastiques qui se composent de deux éléments à savoir la partie modèles énergétiques hyperélastiques, utilisés généralement pour des matériaux à comportement caoutchoutique, et la partie modèle à mémoire entier qui tient compte de l’historique et permettant de décrire le comportement viscoélastique. Les paramètres des modèles ont été identifiés en utilisant la méthode d’identification et la méthode d’optimisation appropriée. Les résultats des modélisations du comportement mécanique de la mousse sur les essais monocycles et multicycles ont été comparés aux résultats expérimentaux, monteront à la fois une très bonne capacité à simuler le 1er cycle de charge/décharge, ainsi que les cycles suivant. Nos modèles ont prouvé leur capacité à modéliser l’effet de Mullins sur les mousses de polyuréthane souple. Ces modèles ont été validés sur les trois types de mousse et pour trois vitesses de sollicitation, permettent de conclure leurs efficacités et de leurs représentativités. / Flexible polyurethane foam is widely used in numerous applications such as acoustic, thermal and building due to its low density and its ability to absorb thermal and acoustic energy. It is also used for the comfort of the seats such as the vehicle, train, plane due to its low stiffness and its ability to absorb deformation energy. In order to optimize the comfort of the car seat, it is necessary to model the behavior of seat system, particularly the flexible component - polyurethane foam. The main objective of this study is to identify and model the quasi-static behavior of polyurethane foam under different test conditions in large deformations. Compression / decompression uniaxial unicycle and multicycle tests were carried out on three types of polyurethane foam at different strain rates, which allows us to understand the behavior of the material. The results of the tests indicate that the polyurethane foams exhibit a hyperelastic behavior and a viscoelastic behavior under large deformations. They also showed that the polyurethane foams have a stress softening phenomenon which is called 'Mullins effect' during the compression / decompression multicycle tests. In other words, the stress in first cycle is lower than the stresses in the subsequent cycles in the same deformation. ‘Mullins effect’ for the polyurethane foam is also an important study in this dissertation. Based on the experimental results and the goal of modeling quasi-static behavior of the polyurethane foam, three visco-hyperelastic models were developed. These models consist in two elements: hyperelastic models, which is normally used for description the behavior of rubber materials, and entire memory model which takes into account the history and describing the viscoelastic behavior. Model parameters were identified using appropriate identification and optimization methods. The results of modeling the mechanical behavior of the foam on the unicycle and multicycle tests were compared with experimental results. The models showed a very good competence to simulate the first cycle and the following cycles during the charge / discharge tests. Our models have proven its ability to model Mullins effect on flexible polyurethane foams. These models have been validated on three types of foam in order to present a comparative study of their effectiveness and their representativeness.