Sujet classé A - Étude par la méthode des éléments finis multi-particules de la rupture par cisaillement en conditions confinées dans un milieu granulaire constitué de particules fortement déformables

par Nils Audry

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

Sous la direction de Didier Imbault.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production , en partenariat avec Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques (laboratoire) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Le problème scientifique associée à cette demande d'allocation doctorale est général : Il s'agit d'étudier le comportement mécanique d'un matériau granulaire dont les grains sont fortement déformables. Cette demande s'inscrit à la suite de plusieurs travaux effectués en particulier au laboratoire 3SR (thèses de N. Abdelmoula, 2012-2016 et de M. Teil, 2015-2019, pour les plus récentes). Ce type de matériau est en fait très courant car beaucoup d'objets qui nous entourent sont fabriqués à base de poudre ou de granules chauffées et/ou comprimées. Ainsi la compréhension de ce type de matériau, relativement peu étudié lorsqu'on le compare aux matériaux granulaires dont les grains sont rigides ou fragiles (sable par exemple) présente un intérêt très fort pour maintes applications. Ces matériaux ont une spécificité très forte : les particules qui le constituent se déforment sous l'effet du chargement (éventuellement aidées par la température ou l'humidité). Ainsi leurs formes évoluent et s'adaptent aux chargements, développant des surfaces de contact orientées par le chargement, optimisant la résistance du milieu au chargement macroscopique. Contrairement aux milieux granulaires « classiques » qui ont été largement étudiés à toutes les échelles notamment au travers de méthodes numériques particulaires comme la méthode des éléments discrets, les milieux granulaires ductiles ou déformables ont été peu étudiés à l'échelle particulaire. Cette observation s'explique aisément par la puissance de calcul nécessaire pour inclure la déformabilité des grains dans des simulations particulaires. Néanmoins, les premières études de ce type ont aujourd'hui vingt ans. Le présent projet propose d'utiliser la méthode des éléments fini multi-particules (MPFEM), qui sera détaillée plus bas, pour simuler la réponse de la microstructure de tels matériaux à des chargements confinés, tels qu'on les rencontre couramment pendant les phases de mise en forme, mais très fortement déviatoires. Dans la pratique, ce type de chargement souvent induits par des singularités géométriques se retrouve responsable de défauts voir de rupture complète des pièces fabriquées à base de poudre. Si le problème est connu, les mécanismes de décohésion des particules qui en sont responsables, ainsi que le rôle joué par la déformabilité des particules, n'ont encore jamais été étudiés à l'échelle des particules. Ainsi la présente proposition vise à construire un échantillon numérique représentant de manière explicite la microstructure d'un milieu granulaire idéalisé, et à mener une campagne d'expérimentation numérique visant à amener l'échantillon dans des conditions proches de la rupture et étudier sa réponse. La déformation des particules est entièrement prise en compte par la MPFEM qui fournit en retour des informations très précises sur l'évolution de la microstructure au cours du chargement.

  • Titre traduit

    Shear-triggered failure within granular media involving deformable particles: Multi-Particle Finite Element Study


  • Résumé

    The present doctoral project is related to the general problem of the mechanical behaviour of a granular material involving deformable particles. It follows several research works carried out at Laboratoire 3SR (the most recent of them being the PhDs of N. Abdelmoula, 2012-2016 and M. Teil, 2015-2019). This type of material is actually very common since many objects around us are built up from powders or granules through pressing and/or heating. The understanding of this type of material (which is the object of relatively few studies in scientific literature when compared with granular materials with rigid particles, such as sand, for instance) is of interest to many applications. These materials have a strong specificity in the fact that the particles they are made of deform under the applied mechanical load (sometimes with the contribution of heat and/or humidity). The particle shape evolves and adapts to the loading, through the creation of contact surfaces oriented by the mechanical load. These oriented contact surfaces optimise the resistance of the granular medium to the macroscopic loading. Contrarily to « classical » granular media (which have been abundantly studied at all scales using, among others, particulate numerical methods such as the discrete element method), ductile or deformable granular materials have been scarcely studied at particle scale. This last observation can be easily explained by the computational power needed to include particle deformability in particulate simulations. Nevertheless, the first studies of this type date back twenty years ago. The present project uses the multi-particle finite-element method (MPFEM) which is detailed below – in French – to simulate the response of the microstructure of such materials to confined loadings (which are commonly found in shaping processes) including a large amount of shear. In practice, this kind of loading is induced by geometrical singularities. It is responsible for defects or even complete failure of powder-made products. Although the problem is well-known, the decohesion mechanisms and the role of particle deformability in the damage process are poorly understood and have never been studied at particle scale. The present proposal consists in building up a numerical sample explicitly including the microstructure of an idealised granular system and conducting a numerical experimentation campaign to study the response of the numerical sample to a mechanical loading in near-failure conditions. Particle deformation is fully taken into account by MPFEM which in return provides very accurate information on the evolution of the microstructure during the loading.