Étude du comportement mécanique de sphères creuses composites sous sollicitations dynamiques.Application à un bouclier de choc à l’oiseau

par Arthur Core

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Philippe Viot, Jean-Benoit Kopp et de Frédéric Dau.

Le président du jury était François Hild.

Le jury était composé de Philippe Viot, Jean-Benoit Kopp, Frédéric Dau, Christophe Bouvet, Jean-Luc Charles.

Les rapporteurs étaient Christophe Fond, Mohamed Guessasma.


  • Résumé

    Les structures de sphères creuses appartiennent à la famille des matériaux cellulaires qui ont récemment été étudiés pour leurs multiples propriétés. Dans le cas de cette thèse, le but des sphères creuses est de dissiper l’énergie d’impact d’un oiseau sur un cockpit d’avion. Elles sont développées dans le cadre du projet SAMBA (Shock Absorber Material for Birdshield Application) afin d’optimiser leur énergie spécifique absorbée (J/kg).Dans un premier temps, des essais quasi-statiques (v = 5 mm/min) et dynamiques (v = 2 m/s) de compression uni-axiale sont conduits à température ambiante sur une seule sphère creuse de diamètre 30 mm. Une propagation rapide de fissures macroscopiques est observée. Le formalisme de la Mécanique Élastique Linéaire de la Rupture (MELR) est utilisé pour estimer le taux de restitution d’énergie critique dynamique GIdc du matériau constitutif. La position du sommet de fissure est mesurée pendant la propagation de fissure à l’aide d’une caméra rapide. La Méthode des Éléments Discrets (DEM) permet de simuler la rupture dynamique en implémentant une technique de relâchement des nœuds. Le taux de restitution d’énergie GIdc peut être estimé à partir de l’histoire (position et temps) du sommet de fissure. Le modèle numérique montre que les structures sphériques dissipent une proportion importante de l’énergie par des effets dynamiques. A une même vitesse de propagation, plus l’épaisseur de coque est fine, plus les effets inertiels générés par la rupture sont importants et ce pour une même vitesse de propagation.Le modèle numérique DEM est ensuite employé pour reproduire la rupture dynamique sur une sphère creuse à l’aide d’un critère en contrainte seule ou un critère mixte en contrainte – énergie. Les bons résultats obtenus démontrent la capacité de la DEM à représenter la propagation de fissures en régime dynamique.Finalement, des essais numériques et expérimentaux multi-sphères sont réalisés afin évaluer le comportement des sphères creuses au sein d’un assemblage.

  • Titre traduit

    Impact behavior of composite hollow spheres.Birdshield application


  • Résumé

    Hollow sphere structure (HSS) belongs to cellular solids that have been studied recently for its multiples properties. In our case, HSS aims to absorb soft impacts energy on an airliner cockpit. HSS is investigated through the SAMBA (Shock Absorber Material for Bird-shield Application) project because of its promises in term of specific energy dissipated (J/kg) during impact.First of all, quasi-static and dynamic (v = 5 mm/min to v = 2 m/s) uniaxial compression tests are conducted at room temperature on a single sphere (D = 30 mm). Rapid crack propagation (RCP) is observed to be predominant at macroscopic scale. The formalism of Linear Elastic Fracture Mechanics (L.E.F.M.) is therefore used to estimate the dynamic energy release rate GIdc . The crack tip location is measured during the crack propagation using a high speed camera. The Discrete Element Method (DEM) is used to simulate the dynamic fracture by implementing the node release technique. The dynamic energy release rate can be determined using an experimentally measured crack history. In spherical structures the numerical results reveal a high proportion of energy dissipated through inertial effects as well as a dependence of the thickness of the hollow sphere over the range of 0.04 mm to 1.2 mm.The DEM model Is then employed to reproduce the RCP according to two failure criterions: a stress criterion and a coupled stress-energy criterion. It reveals to be an interesting way to model the mechanical behavior of brittle materials.Eventually, experimental and numerical multi-spheres tests are performed to evaluate the behavior of brittle hollow spheres within an assembly.


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