Etude expérimentale et numérique des modes de déformation d'un explosif comprimé

Experimental and numerical study of deformation modes of a pressed HMX-based explosive composition

• Auteur / Autrice : Jérôme Vial
• Direction : Patrice Bailly, Didier Picart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 24/10/2013
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....) - Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes- Mécanique et Energétique
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Gatuingt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Bailly, Didier Picart, Fabrice Gatuingt, Laurent Daudeville, Fabrice Bremand, Alain Gasser, Franck Delvare, Bertrand Wattrice
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Daudeville, Fabrice Bremand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité

Microstructure (physique)

Essais dynamiques

Impact

Points de fusion

Explosifs

Mots clés libres

HMX

Impacts à basse vitesse

Dynamique

Microstructure

Points chauds

HMX

Low-velocity-impacts

Dynamic

Microstructure

Hot spots

Résumé

L’utilisation industrielle ou militaire des explosifs est largement répandue. La sécurité est devenue un axe majeur avec notamment l’ignition involontaire des explosifs composés de HMX lors des impacts à basse vitesse. L’objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension des mécanismes dissipatifs à l’origine des échauffements locaux dans le matériau. Le développement d’un essai aux barres d’Hopkinson a permis de coupler de grandes vitesses de déformations à des pressions élevées pour compléter les données expérimentales. Cet essai a montré un angle de frottement quasiment identique à celui obtenu en quasistatique mais une contrainte de cohésion supérieure d’environ 25 MPa. Ensuite, pour observer les mécanismes pouvant être sources d’échauffement, un essai de compression dans la tranche a été développé avec des observations en temps réel. Celles-ci ont permis de conclure qu’il y a très peu de frottements entre les gros grains et la matrice (l’ensemble des petits grains, du liant et de la porosité). De la plasticité des grains de HMX a pu être observée mais surtout beaucoup d’endommagement dans certaines zones y compris dans la matrice. Une microfissuration très intense de certains grains a été observée. Parallèlement, une représentation numérique biphasique (gros grains de HMX et matrice) de toute la microstructure du matériau a été considérée. Une confrontation entre les observations expérimentales et les simulations a permis de déterminer le seuil de plasticité du HMX. Le comportement de la matrice a été identifié pour prendre en compte l’effet de vitesse et l’endommagement observé. Enfin, les confrontations entre les essais et les simulations de ceux-ci ont montré que les échauffements devraient plutôt se localiser dans la matrice que dans les gros grains de HMX et que le mécanisme le plus probable est le frottement de lèvres de microfissures.

Safety of industrial or military explosives is a major focus to prevent inadvertent ignition due to accidental loading as, for example, low-velocity impact. Our aim is to understand the dissipative mechanisms at work which could heat a pressed HMX-based PBX. A test based on the Split Hopkinson Pressure Bars system is proposed to carry out a dynamic triaxial compression test. This test simultaneously associates a high strain rate and a high pressure. Data have shown almost the same friction angle as during quasi-static experiments, but a higher cohesive stress. Then, A reversed edge-on impact test has been developed. This experiment enables the real-time observation of the deformation mechanisms at the microstructural scale. No relative displacement is observed between the biggest HMX grains and the matrix made of the smallest grains, the binder and the porosity. Plasticity has been observed into some HMX grains as well as damage by microcracking. Meanwhile, a biphasic (HMX grains and matrix) numerical representation of the material microstructure has been considered. A comparison between experimental observations and simulations is used to determine the yield stress of HMX. The behavior of the matrix has been determined to account for the influence of the strain rate and of the damage. Lastly, a comparison between tests and simulations has highlighted (1) that heating should rather be located in the matrix than in the biggest HMX grains and (2) that the most likely heating mechanism is the friction of microcracks lips.