En struktur analys på Ericssons MINILINK-6352 har utförts för att undersöka spänningar och deformationer på enheten, främst med fokus på de termiska gränskiktsmaterialen och buktningar av kretskortet. Dessa är viktiga aspekter när man överväger om enheten är termiska lämpad ur en mekanisk synvinkel, där god ytkontakt mellan de olika kropparna är avgörande för ordentlig kylning genom värmeledning. Analysen kräver tillräcklig materialdata till gränskiktsmaterialen och kretskortet för att kunna skapa lämpliga matematiska modeller. Enaxliga kompressionstester har genomförts för att karakterisera de hyperelastiska och viskoelastiska lagar för fyllda silikongummimaterial som används som termiska gränskiktsmaterial, som ibland kallas för gappad. Böjning av ett kretskort simulerades och jämfördes med ett tre--punkts böjtest för att verifiera om befintlig materialdata i beräkningsprogrammen var tillräcklig, jämförelsen visade god överensstämmelse. Kretskortet med dess komponenter, som modellerades som styva block, med gappads ovanpå som komprimeras av en platta simulerades och ett svagt område hittades. Detta område var sedan tidigare känt och har i ett senare skede eliminerats genom att tillsätta ytterligare en stödpelare. Därav visar denna studie en metod för att hitta intressanta regioner tidigt i konstruktionsfasen som lätt kan ändras för att uppfylla nödvändiga krav och undvika brister i konstruktionen. Arbetet har visat sig användbart genom att hitta detta svaga område i exempel produkten, arbetet ger även tillräckligt med information och exempeldata för att ytterligare utreda liknande produkter. Kombinationen av erfarenhet och simulering möjliggör smartare designval. / A structural analysis on Ericssons MINILINK-6352 has been performed in order to investigate stresses and deformations of the unit, mainly focusing on the thermal interface materials and warpage of the printed circuit boards. These are important aspects when considering if the unit is thermally adequate from a mechanical point of view, where good surface contact between various bodies are critical for proper cooling through heat conductivity. The analysis requires sufficient materal data for the interface material and the circuit board in order to create suitable mathematical models. Uniaxial compression tests have been conducted to characterise the hyperelastic and viscoelastic constitutive laws of a filled silicone rubber material used as a thermal interface material, commonly referred to as a thermal pad. Bending of a printed circuit board was simulated and compared to a three-point bend test on the circuit board in order to verify material data already available in the computational software, which showed good agreement. The entire radio unit was mechanically analysed during its sealing process. The circuit board with attached components modelled as stiff blocks with thermal pads on top compressed by plates was simulated and a weak area was found. This area in question was already known and has in a later stage been eliminated by adding an additional supporting pillar. Hence this study shows a methodology to find regions of interest at an early design phase which can easily be altered to fulfil necessary requirements and eliminate design flaws. This work has proven useful in finding weak regions in the example product, it also provides enough information and example data to further investigate similar products. The combination of experience and simulation allows for smarter design choices.

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.

De nombreux phénomènes à l’oeuvre dans le processus de déformation et d’endommagement des élastomères sont étudiés à partir de la réponse mécanique de ces matériaux. Cependant, la plupart de ces phénomènes dépendent de la température et ont des signatures calorimétriques qui pourraient permettre de mieux les comprendre. Dans le contexte industriel de la manufacture de pneumatiques, les élévations de température induites par le chargement peuvent fortement impacter les performances physiques des pneumatiques ainsi que la tenue en fatigue des constituants caoutchoutiques. L’objectif de cette thèse est donc de caractériser le comportement thermomécanique des élastomères chargés et non chargés sous divers types de chargement mécanique. Pour ce faire, des mesures de champs thermiques et cinématiques couplées ont été mises en oeuvre lors d’essais mécaniques à température ambiante. Dans un premier temps, des essais de traction uniaxiale sur éprouvettes indemnes ont permis de confirmer que l’hystérésis mécanique observée lors d’un cycle de traction sur un caoutchouc naturel non chargé est essentiellement due au phénomène de cristallisation et non à des phénomènes dissipatifs. Par ailleurs, la construction de bilans énergétiques sur un cycle mécanique a permis de distinguer la contribution des différents mécanismes dissipatifs (viscosité, effet Mullins) des couplages thermomécaniques (élasticité entropique, cristallisation). Dans un second temps, des essais de cisaillement pur ont été menés sur des éprouvettes préalablement entaillées. Les analyses thermomécaniques menées à l’échelle de la zone d’influence de la fissure ont montré que les phénomènes dissipatifs aux très grandes déformations ne s’expriment pas de la même manière qu’aux déformations plus faibles. En particulier, pour les mélanges considérés dans cette étude, les effets du couplage entropique et de la viscosité sont du même ordre à la décharge, si bien que le matériau n’absorbe pas de chaleur à la décharge. Ces résultats sont très prometteurs à la fois pour la compréhension des phénomènes physiques impliqués dans le processus de déformation et pour la modélisation du comportement thermomécanique des élastomères. / Usually, most of the physical phenomena involved in the deformation of elastomers are studied from purely mechanical approaches. However, almost all of such phenomena depend on temperature and have distinguishable calorimetric signatures, which can enable us to better understand them. Furthermore, in the tire industrial context, the temperature increase induced by loading and self-heating may strongly impact the physical performances of tires as well as the fatigue life of the rubber components. Consequently, the aim of this PHD thesis was to characterize the thermomechanical behavior of rubbers, filled and unfilled, subjected to different mechanical loadings. For this purpose, coupled thermal and kinetic full field measurements have been performed during mechanical tests at ambient temperature. First, homogeneous uniaxial tensile tests have enabled us to confirm that the hysteresis loop in terms of the stress-strain relationship is mainly induced by crystallization phenomenon in natural rubber, not to dissipative phenomena. In the same way, energetic balances over one mechanical cycle have enabled us to distinguish the contribution of different dissipative phenomena (viscosity, Mullins effect) and the thermomechanical couplings (entropic elasticity, crystallization). Second, the analysis of the pure shear tests with pre-cracked specimens has enabled us to analyze, for the first time, the calorimetric response of rubbers in the zone of crack influence. Results have shown that dissipative phenomena at large strains differ from those involved at smaller strains. More especially, for the materials considered in the present study, the effects of the entropic coupling and viscosity are of the same order of magnitude during unloading, so that the material does not absorb any heat during unloading. These results are promising and motivate further work in this field in order to better understand the physical phenomena involved in the deformation processes as well as to more relevantly model the thermomechanical behavior of elastomers.

Aufgrund der großen Bedeutung technischer Gummiwerkstoffe in industriellen Anwendungen ist die Vorhersage des Materialverhaltens ein aktuelles Forschungsgebiet. Insbesondere die Veränderung der Eigenschaften, die durch chemische Prozesse herbeigeführt werden, spielen eine große Rolle, da aufgrund gestiegener Anforderungen an die Haltbarkeit von Bauteilen diese Alterungseffekte verstanden, vorhergesagt und abgeschwächt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell hergeleitet, das die chemischen Vorgänge vorhersagt und deren Auswirkungen auf wichtige Eigenschaften in einem mechanischen Materialmodell beachtet. Insbesondere der Oxidation durch Luftsauerstoff wird Rechnung getragen. Das mechanische Materialverhalten alternder Gummiwerkstoffe wird mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes modelliert. Das in dieser Arbeit vorgestellte Dynamische-Netzwerk-Modell betrachtet die Auswirkungen der chemischen Reaktionen auf das mechanische Verhalten als einen kontinuierlichen Netzwerkumbau durch das Entfernen und neue Einsetzen von Verbindungen zwischen Polymerketten. Basierend auf experimentellen Erkenntnissen werden Hypothesen formuliert, die eine Kopplung zwischen den Oxidationsreaktionen und der Veränderung des mechanischen Verhaltens herstellen. Durch Beachtung von Diffusion und Reaktion kann die lokale Sauerstoffverteilung in großvolumigen Bauteilen berechnet und der Effekt der diffusionslimitierten Oxidation (DLO-Effekt) vorhergesagt werden. Um eine Bestimmung der Modellparameter zu ermöglichen, werden verschiedene Experimente vorgeschlagen, mathematisch modelliert und deren Eignung zur Parameteridentifikation analysiert. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten können sowohl die chemischen als auch die mechanischen Modellparameter sicher identifiziert werden. In dieser Arbeit wird zudem ein sogenannter gestaffelter Lösungsalgorithmus vorgeschlagen, der das Alterungsproblem nach einer mathematischen Entkopplung unterschiedlicher Feldprobleme über geeignete Kopplungsvariablen effizient berechnen kann. Mit Hilfe dieses Algorithmus kann eine Simulation effizient durchgeführt und das Alterungsverhalten komplexer Strukturen vorhergesagt werden. Die Simulation anwendungsnaher Strukturen zeigt, dass die abgeleiteten Modelle und Algorithmen problemlos in einem industriellen Umfeld einsetzbar sind. / Due to the great importance of rubber materials in industrial applications, the prediction of the material behavior is a current research field. Particularly the property changes that are induced by chemical processes play a major role, as these aging effects must be understood, predicted and reduced due to the increased requirements regarding the durability of components. In the context of this thesis, a mathematical model that predicts and considers the chemical processes and their effects on important properties in a mechanical material model is derived. Oxidation through atmospheric oxygen is specifically examined in this work. The mechanical material behavior of aging rubber materials is modeled using a novel approach. The dynamic network model introduced in this paper considers the effects of the chemical reactions on the mechanical behavior as a continuous restructuring of the network by removing and inserting new crosslinks between polymer chains. Based on experimental obervations a coupling between the oxidation reactions and a change of the mechanical material behavior is proposed. By taking into account the diffusion and reaction the local distribution of oxygen in large sized components can be computed. Thus, the effect of diffusion limited oxidation (DLO effect) can be predicted. In order to make an identification of the model parameters possible, different experiments are suggested, modeled mathematically and their suitability for parameter identification is analyzed. Not only the chemical, but also the mechanical model parameters can be identified reliably using a comparably few number of experiments. Moreover, a so-called staggered solution algorithm that can calculate the aging problem efficiently after a mathematical uncoupling of the field problems using a suitable coupling variable is introduced. This algorithm can perform a simulation efficiently and predict the aging behavior of complex structures. The simulation of application oriented structures proofs the applicability of the derived models and algorithms within an industrial environment.