Etude numérique de l'influence d'hétérogénéités microstructurales sur les contraintes résiduelles induites par choc laser

Numerical study of the influence of microstructural heterogeneities on the residual stresses induced by laser shock

• Auteur / Autrice : Lucas Lapostolle
• Direction : Olivier Castelnau, Katell Derrien, Léo-G. Morin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 23/11/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux - Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Samuel Forest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Castelnau, Katell Derrien, Léo-G. Morin, Nicolas Georges Marcel Jacques, Emmanuelle Rouhaud, Thierry Palin-Luc, Romain Ecault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Georges Marcel Jacques, Emmanuelle Rouhaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Laminage

Thèses et écrits académiques

Choc (mécanique)

Mots clés libres

Modélisation numérique

Contraintes résiduelles

Chocs laser

Matériau Laminé

Polycristal

Plasticité cristalline

Numerical Modeling

Residual Stress

Laser shock

Laminated material

Polycrystal

Crystal plasticity

Résumé

Cette thèse traite de la simulation du procédé de grenaillage laser, ou Laser Shock Peening (LSP). Ce procédé vise à introduire des contraintes résiduelles de compression à la surface d'un matériau par impact laser afin d'améliorer son comportement en fatigue. Nous nous intéressons dans ce travail à la modélisation du LSP en tenant compte d'hétérogénéités microstructurales provenant de la nature localement anisotrope des matériaux traités par grenaillage laser. Ce manuscrit présentera dans un premier chapitre un état de l'art du LSP, du procédé à la simulation. Dans le deuxième chapitre, nous présentons une méthodologie de modélisation et de simulation en une dimension du LSP pour un matériau homogène, pouvant être étendue aisément à un matériau hétérogène. Cette méthodologie permet des simulations rapides du choc laser. Le troisième chapitre est une étude de la propagation d'une onde de contrainte élasto-plastique dans un matériau laminé, qui est une microstructure idéalisée mais permettant déjà d'observer les effets de l'hétérogénéité du matériau. Une démarche d'homogénéisation statique est menée afin de décrire quantitativement ces effets. Le quatrième chapitre traite de la propagation d'une onde de contrainte dans un polycristal. Une approche statistique est menée afin d'étudier l'influence moyenne des microstructures et la dispersion qu'elles induisent sur les champs mécaniques.

This thesis deals with the simulation of the laser shock peening (LSP) process. This process aims at introducing compressive residual stresses on the surface of a material by laser impact in order to improve its fatigue behavior. In this work, we are interested in the modeling of LSP by taking into account microstructural heterogeneities coming from the locally anisotropic nature of the materials treated by LSP. This manuscript will present in a first chapter a state of the art of LSP, from the process to the simulations. In the second chapter, we present a methodology for modeling and simulating the LSP in one dimension for a homogeneous material, which can be easily extended to a heterogeneous material. This methodology allows fast simulations for laser shock. The third chapter is a study of the propagation of an elasto-plastic stress wave in a laminated material, which is an idealized microstructure but already allowing to observe the effects of the heterogeneity of the material. A static homogenization approach is conducted to quantitatively describe these effects. The fourth chapter deals with the propagation of a stress wave in a polycrystral. A statistical approach is conducted to study the average influence of microstructures and the dispersion they induce on the mechanical fields.