Etude du comportement dynamique de la glace polycristalline

par David Georges

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Maurine Montagnat-rentier et de Pascal Forquin.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) depuis le 13-11-2017 .


  • Résumé

    Le comportement mécanique de la glace en conditions de chargements statiques ou quasi-statiques est relativement bien connu depuis plusieurs décennies, mais il n'en est pas de même pour son comportement en conditions de chargement dynamiques. Cependant, ces conditions de chargements se rencontrent régulièrement lors de l'impact de glace sur des structures, que ce soit lors d'impact de grêle sur des bâtiments ou des véhicules, ou encore lors d'impact de givre ou de glace agglomérée sur des structures aéronautiques. Dans ces deux exemples, les dommages peuvent être important et potentiellement catastrophiques. Afin de mettre en place des structures résistant à ces impacts, il est essentiel d'étudier le comportement de la glace sous sollicitation dynamique. Si cela a été fait ces dernières décennies via des essais de compression dynamiques ou d'impact de billes de glaces, ces études montrent des résultats difficiles à interpréter en raison de leur grande dispersion et des possibles biais d'analyse de ce type d'essai. Concernant la réponse mécanique de la glace en traction dynamique il n'existe pas d'étude sur ce sujet dans la littérature alors que c'est un point clé pour l'étude et la modélisation des processus de rupture par fragmentation de la glace. Cette thèse a pour but de contribuer à combler ce manque, dans le cadre d'une collaboration avec le CEA CESTA de Bordeaux, en proposant une étude fondamentale de la réponse de la glace granulaire isotrope soumise à des essais dynamiques fortement instrumentés. Deux types d'essais, réalisé à 3SR, sont envisagés pour deux gammes de vitesses de chargement distinctes : (i) des essais d'écaillage aux barres de Hopkinson, permettant d'appliquer une contrainte de traction avec des vitesses de chargements allant de 10/s à quelques 100/s, (ii) des essais d'écaillages par impact de plaques avec une configuration nouvelle qui permettra d'atteindre des vitesses de sollicitations de l'ordre de quelques 1000/s. Ce deuxième type d'essais constitue la partie la plus novatrice mais aussi la plus risquée de l'étude car la faisabilité n'a pas pu être testée. La partie expérimentale du travail devra nécessairement être couplée à un travail de modélisation décrivant l'endommagement et le comportement mécanique du matériau en fonction de la vitesse de chargement. Des simulations numériques devront être menées pour procéder à une partie des dépouillements expérimentaux permettant l'identification de paramètres d'un modèle de comportement qui reste à définir, et pour lequel les paramètres quasi-statiques devront être ajustés grâce aux données de la littérature ou à des essais menés soit en chambre froide à l'IGE soit sous enceinte thermique au laboratoire 3SR. Enfin, une ouverture sera donnée à des mélanges de glaces + adjuvants (alcool, sel) pour évaluer le rôle de la composition et de la microstructure, et le domaine de vitesses couvert pourra être étendu grâce aux moyens très hautes vitesses du CEA CESTA de Bordeaux.

  • Titre traduit

    Dynamic behavior of polycristalline ice


  • Résumé

    Since several decades, mechanic ice behaviour under static or quasi-static loads are relatively well-known , but it's not the same for its behavior under dynamic loads. This lack of knowledge is problematic as load conditions are frequent during ice impact on structures, wether it is during hail impact on buildings or hoar impact on aeronautic structures. In the previous examples, dammages can be significant and pottentially catastrophic. In order to build durable structure when sollicited by impacts, we have to study the ice behavior under dynamic load. The ice compressive strength at high strain-rates and high velocity ice impact have been studied these last decades but still show difficult results to interpret. These difficulties are owing to a wide dispersion and possible analysis bias of this type of test. No studies have been conducted about the dynamic tensile strength although ice tensile behaviour is essential to study and modelling the fracture processes by ice cleavage. This thesis aims to help filling this gap, in the framework of a collaboration with the CEA CESTA of Bordeaux by offering a fundamental study of the isotropic granular ice response subjected to highly instrumented dynamic tests. Two types of tests are planned for two distinct strain-rate ranges: (i) spalling tests on Hopkinson bar will allow strain-rates about 10 /s of 100 /s under a tensile regime (ii) spalling tests by plate impact with a new set up that allows to reach strain-rate of the order of 1000 / s. This second type of test is the most innovative but also the most hazardous part of the study because the feasability could not be tested. The experimental part of the work must be coupled with a modeling work, describing the damage and the mechanical behavior of the material as a function of the loading speed. Numerical simulations will have to be carried out to proceed at a part of the experimental analyzes, in order to identify settings of a behavior model, which remains to be defined. Quasi-static settings will have to be adjusted thanks to litterature or quasi-static tests in cold room (IGE) or under thermal enclosure (3SR). It will be given an oppening concerning mixtures of ice and ajdjuvants (alcohol, salt) to evaluate microstructure role. The strain-rate ranges covered can also be extended with very high speed apparatus at CEA CESTA of Bordeaux.