Phénomène d'impact à haute vitesse sur cibles minces fragiles : application au projet de laser mégajoule et à la problématique des débris spatiaux

par Yann Michel

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Jean-Jacques Barrau.

Soutenue en 2007

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les propriétés de transparence des verres les rendent souvent indispensables pour des systèmes optiques, mais leur incapacité à subir de grandes déformations les rend spécialement sensibles aux impacts à grande vitesse. L'objectif de cette thèse est de caractériser et de modéliser les dommages et l'éjection de matière induits par ces impacts sur des cibles minces monolithiques (EPA LMJ) ou multicouches (cellules solaires). Une partie importante de ce travail est consacrée à la caractérisation expérimentale du comportement sous choc de la silice fondue et des dommages subis par des cibles minces de verre sous impacts tridimensionnels (VProj £ 3. 5km/s). L'expertise de ces cibles et les méthodes originales de collecte et de caractérisation dynamique de la matière éjectée ont permis de mieux comprendre les mécanismes intervenant lors d'impacts à grandes vitesse sur des verres. Cette partie aboutit à la réalisation de développements enrichissant le modèle de comportement dérivé par Johnson & Holmquist et implémenté dans le code LS-DYNA. Ce modèle, couplé avec la méthode SPH, permet de reproduire les effets de fragmentation et de densification permanente sous choc. La seconde partie de ce travail présente l'utilisation des développements et des modèles numériques réalisés pour évaluer les performances balistiques, les dommages, et les caractéristiques d'éjection de matière des EPA et des cellules solaires. Les simulations numériques 3D ont permis de fixer les limites actuelles de l'outil numérique à l'intérieur desquelles ses capacités de prédiction ont été utilisées pour déterminer la durée de vie des cibles EPA pour divers projectiles.


  • Résumé

    Due to its optical properties, glass is often essential for optical systems but its inability to undergo large deformations makes it particularly sensitive to high velocity impacts (HVI). The objective of this PhD consist in characterising and modelling damages and matter ejection induced by such impacts on thin monolithic targets (LMJ Disposable Debris Shields, DDS) or multilayered targets (solar cells). An important effort is dedicated to experimental activities including characterisation of fused silica behaviour under shock loadings and of damages induced by 3D HVI (VProj £ 3. 5km/s) on thin brittle targets. SEM and metrological analyses of impacted targets as well as innovating characterisation methods of ejected clouds allowed a better understanding of ejection processes. This phenomenological observation led to improvements of the LS-DYNA Johnson-Holmquist material model (JH-2). This modified model has been coupled with an SPH method and allows to reproduce effects of fragmentation and permanent densification under planar shock loadings. The 2nd part of this work presents the results of 3D modelling activity corresponding to CNES & CEA applications. It has been performed to assess ballistic performances (spallation & perforation), to reproduce damages and matter ejection observed on DDS and solar cells. 3D numerical simulations allowed to identify actual limitations of the code which provides satisfying results for damaging and ejection phenomenology for the range 0-5 km/s. The modelling tool has been used to predict ballistic limits and ejection tendencies due to impact on 2 mm DDS involving various projectiles (shape, material, velocity) in the validated range.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (299 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 275-282

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2007TOU30034
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