Traitement numérique de la fissuration dans les matériaux structuraux ductiles sous l’effet de sollicitations sévères

par Johannes Wolf

Thèse de doctorat en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Patrice Longère et de Jean-Marc Cadou.

Le président du jury était André Dragon.

Le jury était composé de Milan Jirásek, Hélène Welemane.

Les rapporteurs étaient Alain Combescure, Laurent Stainier.


  • Résumé

    Le travail présenté a pour objectif la prédiction numérique de la résistance résiduellede grandes structures vis-à-vis d’évènements accidentels, tels que ceux rencontrés p.ex. dans le cas de la collision de navires ou d’impact d’oiseaux en aéronautique. Cesévènements peuvent dans certain cas conduire à la rupture, qui est ici considéréeductile. La difficulté de cette étude, consiste à reproduire dans une méthodologieunifiée basée sur la méthode des éléments finis les étapes successives menant àla ruine ultime de la structure. Ces étapes sont : l’endommagement ductile, lalocalisation de la déformation et la propagation de la fissure. Un élément essentiel pour la conception d’un modèle de fissuration ductile prédictif est le traitement numérique de la phase transitoire critique de localisation de la déformation induite par l’endommagement dans une bande de matière étroite.A cet effet, trois points de vue différents en termes de champ de déplacement àtravers la bande de localisation sont proposés. Ces trois approches se distinguentpar le type de discontinuité considérée : forte, faible et régularisée (expression nonlinéaire). Un cadre variationnel consistant est élaboré pour chacune des trois approches.Ainsi la cinématique enrichie est incorporée dans la formulation de l’élément fini enutilisant la méthode des éléments finis enrichis (X-FEM). Puis, la performance deces méthodes est évaluée vis-à-vis de leur capacité à modéliser la phase transitoireentre endommagement diffus (mécanique des milieux continus) et propagation defissure (mécanique de la rupture). Ces travaux sont réalisés dans le contexte dematériaux ductiles. D’après les analyses réalisées, la combinaison du modèle de ’discontinuité fortecohésive’ et la X-FEM semble être la plus prometteuse des trois approches étudiéespour allier physique et numérique. Le développement d’un tel modèle est discutéen détail. Enfin, deux critères supplémentaires sont définis : le premier pour lepassage de l’endommagement diffus au modèle de bande cohésive et un deuxièmepour le passage du modèle de bande cohésive à la rupture.

  • Titre traduit

    Numerical treatment of crack propagation in ductile structural materials under severe conditions


  • Résumé

    The present work aims at numerically predicting the current residual strengthof large engineering structures made of ductile metals regarding accidental events,e.g. ships collision or bird strike in aviation, which may potentially lead to failure.With this aim in view, the challenge consists in reproducing within a unified finiteelement (FE)-based methodology the successive steps of micro-voiding-induceddamage, strain localization and crack propagation, if any.A key ingredient for a predictive ductile fracture model is the proper numericaltreatment of the critical transition phase of damage-induced strain localizationinside a narrow band. For this purpose, three different viewpoints in terms ofdisplacement field across the localization band are proposed involving a strong,weak and (non-linearly) regularized discontinuity, respectively.A consistent variational framework is elaborated for each of the three methods,whereby the enriched kinematics is embedded into the FE formulation using theeXtended FEM. Then, within a comparative procedure, the performance of thesemethods is assessed regarding their ability of modeling the transition phase betweendiffuse damage (continuum mechanics framework) and crack propagation (fracturemechanics framework), always in the context of ductile materials.According to the aforementioned analyses, the combination of the strong discontinuitycohesive model and the X-FEM appears to be the most promising of thethree studied approaches to bring together physics and numerics. The developmentof such a model is discussed in detail. Finally, two supplementary criteria aredefined: the first one for the passage from diffuse damage to the cohesive bandmodel and the second one for the passage from the cohesive band model to thecrack.


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