Advanced constitutive relations for modeling thermo-viscoplastic behaviour of metallic alloys subjected to impact loading

par José Antonio Rodriguez Martinez

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Alexis Rusinek et de Angel Arias.

Le président du jury était Alain Molinari.

Le jury était composé de Pierre Chevrier, José Fernandez Saez, Tomasz Lodygowski, Ryszard Pecherski, Ramon Zaera Polo.

  • Titre traduit

    Comportement thermo-viscoplastique des alliages métalliques chargés sous impact


  • Résumé

    Dans cette thèse certains problèmes liés au comportement thermo-viscoplastiques des alliages métalliques sont analysés. Ainsi, la réponse des métaux pour un large spectre de vitesses de déformation et en températures a été étudiée. Ceci est d'un intérêt majeur dans de nombreuses applications industrielles. L'optimisation des matériaux dans le but de supporter de plus en plus de sollicitations extrêmes est un problème très actuel. Au niveau modélisation la validation du modèle Rusineck-Klepaczko (RK) a été étendu à différents alliages sans dépendance avec la déformation plastique dans la définition du volume thermiquement activé. De plus, une extension du modèle MRK a été faite dans le but de décrire le comportement des matériaux présentant une dépendance en déformation dans la description de la sensibilité à la vitesse de déformation. Ce modèle a été utilisé pour décrire les matériaux avec une sensibilité négative à la vitesse de déformation et présentant un fort effet du drainage visqueux. En complément une loi de comportement a été développée pour décrire le comportement des matériaux avec une transformation de phase de type martensitique. Ces lois de comportement ont été implémentées dans un code éléments finis. Grâce à ces outils des études précises et fines ont été menées au niveau des instabilités thermo-viscoplastiques notamment sous chargement dynamique. Deux études particulières ont été faites, l'une sur le processus d'expansion des anneaux et une seconde sur la traction dynamique. Une étude complète a été menée sur le couplage entre la plasticité locale et le phénomène lié à la propagation des ondes élastiques générées par l'impact du chargement. En complément des essais 3D de type perforation ont été réalisés dans le but de valider les approches analytiques. Divers matériaux ont été utilisés comme : l'acier ES, un alliage d'aluminium 2024-T3, un acier AISI304 et un acier de type TRIP 1000. L'ensemble des matériaux ayant été caractérisé au préalable via des essais simples. Le but de ces études de perforation étant d'étudier leur réponse sous impact dynamique et de valider les outils analytiques et numériques


  • Résumé

    In this doctoral Thesis the thermo-viscoplastic behaviour of metallic alloys used for structural protection purposes has been analyzed. The study includes the proposition of advanced constitutive relations and their integration into numerical models. These numerical models are validated for impact problems within the low-intermediate range of impact velocities (until 85 m/s). The advanced constitutive relations derived are based on the Rusinek-Klepaczko model whose validity is extended to metallic alloys showing dependence on plastic strain on the volume thermally activated. In addition the constitutive relations developped allow describing macroscopically viscous drag effects at high strain rates, negative strain rate sensitivity and martensitic transformation phenomena. Implementation of previous constitutive relations has been conducted into the FE code ABAQUS/Explicit. Thus, development of numerical models for the simulation of ring expansion test and conventional dynamic tension test has allowed analyzing the formation of plastic instabilities. In this analysis the effects of strain rate sensitivity, strain hardening and plastic wave propagation have been considered. Finally, it has been examined the impact behaviour of metallic alloys widely used for structural protection purposes: the mild steel ES, the aluminium alloy 2024-T3, the steel AISI 304 and the steel TRIP 1000. For that goal conventional characterization tests as well as impact tests have been conducted. Numerical models based on the constitutive relations derived have been developped in order to simulate the impact tests. These numerical models offered a suitable description of the perforation process in terms of ballistic limit and the associated failure mode of the target


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