Variational approach to dynamic fracture and applications to the fragmentation of metals and ceramics

par Arthur Geromel fischer

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Jean-Jacques Marigo.

Le président du jury était Corrado Maurini.

Le jury était composé de Jean-Jacques Marigo, Eric Lorentz, Julien Yvonnet, Skander El Maï.

Les rapporteurs étaient Blaise Bourdin, Jean-François Molinari.

  • Titre traduit

    Approche variationnelle de la rupture dynamique et applications à la fragmentation des métaux et céramiques


  • Résumé

    Le principal objectif de ce travail est l'étude de la fragmentation d'enveloppes métalliques. Cette thèse est divisée en quatre parties : la construction d'un modèle d'endommagement, l'implémentation numérique, la calibration des paramètres du modèle en utilisant des données expérimentales, et des travaux analytiques.Tout d'abord, nous avons considéré des modèles qui couplent les modèles d'endommagement classiques avec la plasticité et la dynamique. En utilisant l'énergie et l'action du système, nous avons obtenu toutes les équations qui décrivent le modèle dynamique et ductile : l'équation de la dynamique, le critère de plasticité et le critère d'endommagement. Nous avons ensuite détaillé l'implémentation numérique de ces modèles.Des résultats qualitatifs ont ensuite pu être obtenus, comme le nombre et la direction des fissures, ainsi que la convergence vers le modèle quasi-statique.Afin de mieux comprendre l'influence de chaque paramètre du modèle, nous avons étudié analytiquement le problème. A partir de l'observation de l'amplitude des perturbations, nous avons pu décrire comment obtenir une approximation analytique du nombre de fissures dans le cas d'un anneau en expansion.Cependant, pour être capable de simuler des problèmes réalistes, il est nécessaire de calibrer les paramètres du modèle. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement au cas des matériaux fragiles. Les données expérimentales ont été obtenues par une série d'expériences réalisée par le CEA.Afin d'empêcher la localisation de la déformation plastique dans des bandes d'épaisseur nulle, d'autres formes de régularisation ont été étudiées, comme par exemple, l'utilisation des propriétés dissipatives du champ de température.Enfin, nous avons conclu ce travail en proposant des modèles de plasticité où l'énergie dépend aussi du gradient de la déformation plastique (modèles de plasticité à gradient).


  • Résumé

    The main objective of this work was the study of the fragmentation of a metallic shell. This thesis is divided into four parts: construction of a damage model, numerical implementation, calibration of the model parameters using experimental data and analytical works.In this work, we considered a model that couples the standard gradient damage models with plasticity and dynamics. Using the energy and the action of the system, we could obtain all the equations necessary to describe the dynamic ductile model: the equations of dynamics, the plasticity criterion and the damage criterion. We then detail the numerical implementation of these models.Some qualitative behaviours are then obtained, such as the number and the direction of cracks, and the convergence to the quasi-static model.In order to better understand the influence of the parameters, we studied the problem analytically. By studying the amplitude of the perturbations, we describe how to obtain an analytic approximation for the number of cracks in a ring under expansion.In order to run realistic simulations, it is needed to calibrate the material parameters. We focus here on a simple case of brittle materials. The experimental data were obtained in a series of shockless spalling tests performed by the CEA.We also study other forms of regularization, now applied to the plastic strain, avoiding localization in zero-thickness bands.We considered using the dissipative properties of the temperature field to regularize the model. Finally, we conclude with plasticity models where we add a term depending on the gradient of the plastic strain (gradient plasticity models).


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