A covariant 4D formalism to establish constitutive models : from thermodynamics to numerical applications
Modèles covariants de comportement issus d'un formalisme 4D : de la thermodynamique aux applications numériques
Résumé
The objective of this work is to establish mechanical constitutive models for materials undergoing large deformations. Instead of the classical 3D approaches in which the notion of objectivity is ambiguous and different objective transports may be arbitrarily used, the four-dimensional formalism derived from the theories of Relativity is applied. Within a 4D formalism, the two aspects of notion of objectivity: frame-indifference (or covariance) and invariance to the superposition of rigid body motions can now be distinguished. Besides, the use of this 4D formalism ensures the covariance of the models. For rate-form models, the Lie derivative is chosen as a total time derivative, which is also covariant and invariant to the superposition of rigid body motions. Within the 4D formalism, we also propose a framework using the 4D thermodynamic to develop 4D constitutive models for hyperelasticity, anisotropic elasticity, hypoelasticity and elastoplasticity. Then, 3D models are derived from 4D models and studied by applying them in numerical simulations with finite element methods using the software Zset
L’objectif de ce travail est d’établir des modèles de comportement mécaniques pour les matériaux en grandes déformations. Au lieu des approches classiques en 3D dans lesquelles la notion d'objectivité est ambigüe et pour lesquelles différentes dérivées objectives sont utilisées arbitrairement, le formalisme quadridimensionnel dérivé des théories de la Relativité est appliqué. En 4D, les deux aspects de la notion d’objectivité, l’indépendance du référentiel (ou covariance) et l’invariance à la superposition de mouvement de corps rigide, peuvent désormais être distinguées. En outre, l’utilisation du formalisme 4D assure la covariance des modèles. Pour les modèles incrémentaux, la dérivée de Lie est choisie permettant une variation totale par rapport au temps, tout en étant à la fois covariante et invariante à la superposition des mouvements de corps rigide. Dans ce formalisme 4D, nous proposons également un cadre thermodynamique en 4D pour développer des modèles de comportement en 4D tels que l’hyperélasticité, l’élasticité anisotrope, l’hypoélasticité et l’élastoplasticité. Ensuite, les projections en 3D sont obtenus à partir des modèles en 4D et étudiés en les testant sur des simulations numériques par éléments finis avec le logiciel Zset
Origine : Version validée par le jury (STAR)