Contribution to the modeling of densification in silicate glasses under very high pressures

par Ji Xing Meng

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Vincent Keryvin, Jean-Pierre Guin et de Philippe Pilvin.

Soutenue le 15-07-2013

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec LARMAUR (laboratoire) , Université européenne de Bretagne (PRES) et de LARMAUR (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Contribution à la modélisation de la densification des verres silicatés sous très hautes pressions


  • Résumé

    Le comportement à haute pression du verre de silice a été largement étudié dansde différents domaines pour ses propriétés mécanique et physiques, tels que la mécaniquenon-linéaire, laphysiquede haute pression, laphysiquenon-cristallins, laphysique appliquée, lagéophysique, etc. La densification permanente est la propriété la plus fondamentale obtenue à partir de la haute pression. Nous discutons un modèle constitutif décrivant le mécanisme de déformation permanente par la densification sous haute pressionde verre de silice. La loi de comportement proposée dans cette étude considère que la pression est hydrostatique pure. Elle est composée d’une partieélastique et d’autre partie un écoulement décrivant l'évolution des déformations permanentes après l’initiation de ladensification. Dans cette loi, trois critères d’écrouissage sont discutés à l'égard de la dépendance de la densification incrémentale (progressive)aux niveaux de contraintes appliquées. Les mesuresexpérimentales ex-situ et in-situ sont utilisées pour évaluer notre modèle. En misant en œuvre de notre modèle dans Abaqus et SiDoLo(corotational logiciel), l’analyse inverse est utilisée pour déterminer le seuil de la pression de densification, la pression à la saturation et le taux de densification saturée. Les calculs numériques montrent un excellent accord avec les données expérimentales. Il est à noter que notre modèle non seulement réussit à déterminer les propriétés de densification, mais aussi pour prédire les changements de propriétés élastiques, telles que le module de compressibilité, le module de cisaillement, module d’élasticité et le coefficient de Poisson, sous la pression hydrostatique. Dans les perspectives, notre modèle fournit une nouvelle loi pour analyser le comportement à la déformation de silice sous l’état de contraintes complexes.


  • Résumé

    High-pressure behavior of SiO2 glass has been studied extensively because it has attracted considerable attention in various fields of mechanical and physical sciences, such as non-linear mechanics, high-pressure physics, noncrystalline physics, applied physics, geophysics, etc. Permanent densification is the most fundamental property obtained from very high pressure. We discuss a constitutive model describing the permanent densification induced deformation mechanism of silica. The constitutive law is assumed to be pure hydrostatic pressure, and uses a yield function and a flow rule describing the evolution of permanent strains after initial densification, and three hardening rules discussing the dependence of the incremental densification on the levels of applied stresses. Ex-situ and in-situ experiments are both considered to evaluate our model. Implementing our model to a finite software Abaqus and a corotational framework software SiDoLo, inverse analysis is used to determine the threshold densification pressure, the saturate densification pressure and the saturate value of densification. Numerical results show an excellent agreement to experimental data. It should be noted that our model not only succeeding in determine the densification properties, but also in predicting the changes of elastic properties, such as Bulk modulus, Shear modulus, Young’s modulus and Poisson’s ratio, under hydrostatic pressure. Seen in perspective, our model provides a new rule to analyze the deformation behavior of silica under complex stress states.


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