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Titre: Title: Étude et caractérisation des phénomènes d'éclatement et d'explosi

Titre: Title: Étude et caractérisation des phénomènes d'éclatement et d'explosion des pneus de camion. Auteur: Author: Lionel Michel Date: 2010 Type: Mémoire ou thèse / Dissertation or Thesis Référence: Citation: Michel, L. (2010). Étude et caractérisation des phénomènes d'éclatement et d'explosion des pneus de camion. [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/420/ Document en libre accès dans PolyPublie Open Access document in PolyPublie URL de PolyPublie: PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/420/ Directeurs de recherche: Advisors: Aurelian Vadean, & René Benoît Programme: Program: Génie mécanique Ce fichier a été téléchargé à partir de PolyPublie, le dépôt institutionnel de Polytechnique Montréal This file has been downloaded from PolyPublie, the institutional repository of Polytechnique Montréal https://publications.polymtl.ca UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉTUDE ET CARACTÉRISATION DES PHÉNOMÈNES D’ÉCLATEMENT ET D’EXPLOSION DES PNEUS DE CAMION LIONEL MICHEL DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE MÉCANIQUE) NOVEMBRE 2010 © LIONEL MICHEL, 2010. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé: ÉTUDE ET CARACTÉRISATION DES PHÉNOMÈNES D’ÉCLATEMENT ET D’EXPLOSION DES PNEUS DE CAMION présenté par : MICHEL Lionel en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de : M. LAKIS Aouni A., Ph.D., président M. VADEAN Aurelian, Doct., membre et directeur de recherche M. BENOIT René, M.Sc.A., membre et codirecteur de recherche M. GOU Michel, M.Sc.A., membre iii DÉDICACE À mes parents, ma sœur et Tiana iv REMERCIEMENTS Je souhaite remercier en premier lieu mon directeur de recherche Aurelian Vadean pour sa confiance, son soutien et la disponibilité dont il a su faire preuve tout au long de mes activités de recherche. Je remercie M. Aouni A. Lakis et M. Michel Gou, professeurs à l’École Poytechnique de Montréal pour avoir accepté de faire partie du jury d’évaluation de ce mémoire. Je remercie également l’ensemble des membres de l’équipe de recherche responsable du projet. Je pense en particulier à René Benoît, Christian Sirard et Christian Larue de l’Institut de Recherche en Santé et en Sécurité du Travail de Montréal mais aussi à Patricia Dolez de l’École de Technologie Supérieure de Montréal et Olivier Bellavigna-Ladoux du groupe d’expertise Prolad. Tous on su faire preuve d’un véritable professionnalisme pour mener à bien ce projet. Merci à Charles-Étienne Caron, Jean-Pierre Roux, Jean-Baptiste Mouillet et David Kirby de la compagnie Altair Engineering pour leur aide indispensable. L’utilisation avancée du logiciel Radioss n’aurait pas pu être possible sans leur expertise et leurs précieux conseils. Merci aussi à Musandji Fuamba du département des génies civil, géologique et des mines de l’École Polytechnique de Montréal et Éric Duschênes du laboratoire (CM)2 pour la réalisation du test hydrostatique et des analyses microscopiques. Je ne peux oublier de remercier mes collègues de travail, notamment Guillaume Biron et José Noël Ndzeno-Fotso. Nos différents échanges ont rendu cette expérience très enrichissante aussi bien d’un point de vue professionnel que personnel. Enfin, merci à ma famille pour leur soutien et leurs encouragements A tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à ce projet, merci. v RÉSUMÉ Ce mémoire présente les résultats des activités de recherche sur les phénomènes d’éclatement et d’explosion de pneus de véhicules lourds. Réalisé conjointement par l’Institut de Recherche en Santé et en Sécurité du Travail (IRSST) de Montréal et l’École Polytechnique de Montréal, il permet une mise à jour des connaissances sur ces deux types d’évènements, explique leurs causes et leurs conséquences et présente des résultats pertinents pour l’évaluation du risque. Les résultats qui sont présentés ici reposent à la fois sur des essais expérimentaux et des analyses numériques utilisant la méthode des éléments finis. Un essai d’explosion a été mené au Laboratoire Canadien de Recherche sur les Explosifs (LCRE) à Ottawa, Canada pour caractériser le phénomène d’explosion. Le phénomène d’éclatement par surpression, qui est un cas particulier d’éclatement, a été étudié à l’aide d’un test d’éclatement hydrostatique et d’analyses microscopiques. Les analyses numériques ont été réalisées avec le logiciel Altair Radioss pour compléter et/ou valider les résultats de ces essais. Les éclatements et explosions de pneus, bien que relativement rares, sont très dangereux du fait de leur imprévisibilité. Ils interviennent la plupart du temps lors de la réparation, de l’entretien ou encore du remplacement des roues du véhicule. La cause la plus commune des phénomènes d’éclatement ou d’explosion de pneu est un apport de chaleur au système pneu-jante. Cet apport de chaleur déclenche des réactions chimiques qui dégradent le caoutchouc des pneus produisant alors des gaz et des matières inflammables. Il s’agit principalement des réactions de pyrolyse, thermo-oxydation et de combustion. En s’ajoutant au phénomène d’expansion thermique et à la diminution des propriétés mécaniques du pneu par divers facteurs, les gaz produits contribuent à l’augmentation de la pression dans le pneu et augmentent ainsi le risque d’éclatement ou d’explosion. A l’aide des données retrouvées dans la littérature et celles de l’analyse numérique, le scénario menant à l’explosion d’un pneu a pu être établi. Une telle explosion survient lorsque les trois conditions critiques de concentration et de température des matières inflammables et de concentration en oxygène sont simultanément réunies. L’onde de pression résultant du mélange vi explosif se déplace circonférentiellement dans deux directions à partir du point d’initiation. Les deux fronts d’onde se rencontrent au point diamétralement opposé au point d’initiation et la rencontre des deux fronts d’onde provoque la rupture du pneumatique au niveau des deux flancs. La rupture des flancs provoque alors un incroyable déplacement d’air à très grande vitesse à l’extérieur du pneu et s’accompagne de la projection de fragments. L’éclatement de pneu par surpression, quant à lui, survient lorsque le pneu est gonflé bien au-delà de la pression nominale recommandée. Les calculs numériques et un essai destructif de gonflage hydrostatique ont par exemple permis d’établir un facteur de sécurité de l’ordre de 2,5 pour un pneu neuf de taille 11R22.5. Afin de déterminer les limites de rupture en pression d’un pneu et le scénario conduisant à l’éclatement d’un pneu par surpression, un essai hydrostatique d’éclatement ainsi qu’une inspection aux rayons X du pneu éclaté ont été réalisés. De plus, un modèle numérique de pneu utilisant la méthode des éléments finis a été développé dans le but de calculer numériquement la pression d’éclatement. En définissant dans le modèle éléments finis la pression d’éclatement comme la pression à laquelle la déformation plastique maximale des tringles est atteinte, il a été possible de déterminer une pression d’éclatement très proche de celle observée expérimentalement. Les essais expérimentaux et l’analyse numérique ont permis de comprendre pourquoi, où, quand et comment un pneu éclate lorsqu’il est sur gonflé. En pratique, la pression exercée entraine la plupart du temps une rupture au niveau de la tringle située du côté opposé au disque de la jante. La rupture se manifeste plus exactement à un point de chevauchement des brins d’acier de ladite tringle. L’énergie libérée lors de l’éclatement est alors susceptible de tuer une personne se trouvant à proximité du pneu. vii ABSTRACT This thesis presents the results of research activities on heavy vehicles tire blowout and explosion phenomena. Produced jointly by the Institut de Recherche en Santé et en Sécurité du Travail (IRSST) in Montreal, Canada and École Polytechnique de Montréal, it allows an update of knowledge on these two kinds of events, explains their causes and their consequences and presents relevant results to risk assessment. The results presented in this thesis are based on both experimental tests and numerical analyses using the finite element method. An explosion test was performed in the Laboratoire Canadien de Recherche sur les Explosifs (LCRE) in Ottawa, Canada to provide relevant scientific data for a better understanding of the tire failure mechanism in the case of explosion. Tire blowouts include the tire burst due to over-pressurization. The latter has been studied using a hydrostatic burst test and microscopic analyses. A numerical analysis was conducted using the Altair Radioss software to complete and/or validate the results of these tests. Even though relatively rare, tire blowouts and explosions are very dangerous because of their unpredictability. They usually occur during the repair, maintenance or replacement of wheels of the vehicle. A heat input to the tire-rim assembly is the main contributor to the final blowout or explosion event. The heat input generates chemical reactions which degrade tire rubber and produce flammable gases. Three types of thermo-chemical reactions have been identified as potential sources. They are pyrolysis, thermo-oxidation and combustion. The gases these reactions produce add to the increase in pressure inside the tire due to thermal expansion of the air and, consequently, the risk of blowout or explosion. Information gathered in the literature and numerical simulation results allowed to propose a scenario for an explosion. Such an explosion occurs if the three critical conditions of concentration, temperature of flammable gas and oxygen concentration occur simultaneously. The two wavefronts produced by viii the explosion meet at the point diagonally opposite to the point of initiation. Their meeting is responsible for the rupture of the tire in the uploads/Science et Technologie/ 2010-lionelmichel.pdf