Modélisation numérique de l'amorçage, la propagation et l'arrêt des fissures dans les matériaux ductiles.

par Valentin Davaze

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Jacques Besson.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 07-11-2016 .


  • Résumé

    Lors d'un crash automobile, les pièces faites de tôles en acier ou en aluminium sont sujettes à rupture, par exemple : en bas de pied milieu, dans la zone planche à talon, du côté de l'habitacle, en choc latéral ; ou de la poutre avant, du passage de roue, en choc frontal. La rupture des matériaux ductiles n'est actuellement pas prédite de manière fiable, ce qui entraîne une remise en cause parfois tardive de la conception des pièces impactées et des coûts importants dus aux modifications post-Réalisation d'Outillages. La modélisation du comportement des matériaux ductiles a fait l'objet de nombreux travaux scientifiques, accompagnés de comparaisons calculs/essais pour démontrer la pertinence des approches développées. Malheureusement, les techniques numériques mises en jeu pour effectuer ces comparaisons ne sont pas applicables dans l'état à un contexte industriel. En particulier, les temps de calcul sont incompatibles avec la durée des phases de développement des nouveaux véhicules. Il est donc important de pouvoir disposer de techniques numériques efficaces permettant d'atteindre deux objectifs opposés pour la thèse : simuler de manière prédictive les phénomènes locaux d'amorçage, de propagation et d'arrêt des fissures des matériaux ductiles en crash, et développer des méthodes numériques compatibles, notamment en termes de temps de restitution, avec le développement de structures industrielles. L'objectif de ces travaux est de proposer, identifier et développer une technique numérique robuste et efficace pour permettre la prédiction numérique, par la méthode des Eléments Finis (EF), de la rupture ductile des pièces en tôle mince (acier et aluminium) dans les calculs de crash. Le challenge est double : simuler l'amorçage et la propagation, phénomènes locaux se développant à une échelle inférieure au millimètre, et garantir un temps de restitution compatible avec un calcul dynamique de structure automobile, c'est-à-dire à une échelle largement supérieure au millimètre. Concernant le comportement jusqu'à l'amorçage, le recours à des modèles adoucissants pour la modélisation de l'endommagement en grandes déformations pose le problème d'une dépendance pathologique au maillage EF qu'il est proposé de régulariser à l'aide de méthodes récentes adaptées à la dynamique rapide. Concernant la propagation de la déchirure, les méthodes d'érosion habituellement employées ont montré leurs limites. Les méthodes d'enrichissement, pour leur part, ne permettent pas d'appréhender suffisamment les phénomènes locaux nécessaires à l'estimation de critères pertinents d'amorçage et de propagation sans remaillage préalable. Il est proposé ici de recourir à une méthode originale récemment développée, qui utilise le remaillage à bon escient pour appréhender ces phénomènes et dans le même temps capturer les fronts et lèvres de fissure avec un rapport précision/coût optimal.

  • Titre traduit

    Numerical modelling of crack initiating, growth and arrest in ductile materials.


  • Résumé

    When a car crash occurs, parts made with steel or aluminium sheets can tear up. Rupture of ductile materials is not reliably predicted yet, and so, many parts and tools have to be re-designed, which increases the production cost. Ductile material behaviour was studied in many scientific works, in which comparisons between numerical simulation and experiment are made. Unfortunately, numerical methods used for making such comparisons are not adapted to an industrial context. In particular, computation time is excessive for the development of new cars. It is important to get a reliable and efficient numerical method to reach the two objectives for this PhD Thesis : enabling the numerical prediction of crack initiating, growth and arrest in ductile material during a car crash, and limiting the computation time to keep it compatible with industrial structures development. The aim of this work is to identify and develop a numerical method reliable and efficient which will enable the prediction, using the Finite Element Method, of the ductile tearing occurring on parts made with steel and aluminium sheets. The objectives are defined by two important issues: predicting the crack initiating and growth, which correspond to local phenomena occurring in a small scale (< mm), and keep the computation time compatible with dynamic simulations on car structures in a large scale (> mm). Regarding the behaviour till the crack initiating, softening constitutive models for damage in large strain require the use of a damage regularisation method to avoid pathological mesh dependency. Concerning the crack growth, element deletion usually used is not reliable enough. The XFEM methods don't enable to gasp local phenomena enough, required for estimation of the crack initiating criterion and growth without prior remeshing. For this work, the idea is to use a recent and innovative remeshing method to gasp these local phenomena and, in the same time, to catch the crack front and lips with an optimum compromise precision/cost.