Comportement mécanique des mousses d'aluminium : caractérisations expérimentales sous sollicitations complexes et simulations numériques dans le cadre de l'élasto-plasticité compressible

Mechanical behaviour of aluminium foam : multi-axial experimental tests and numerical simulation with a compressive contitutive model

• Auteur / Autrice : Jean-Sébastien Blazy
• Direction : Samuel Forest, Yvan Chastel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Mousses (matériaux)

Tomographie

Statistique

Éléments finis, Méthode des

Résumé

L’aluminium est une solution matériaux pour alléger les automobiles. Il peut être aussi moussé. Mais, la méconnaissance du comportement mécanique et l’absence d’outil d’aide à la conception de structures comprenant ces mousses, limitent leur utilisation. Ainsi les études sous chargements multi-axiaux sont rares. Pourtant la compréhension du comportement multiaxial reste indispensable. Un dimensionnement fiable doit aussi tenir compte de variabilité du comportement des mousses due à la présence de fortes hétérogénéités microstructurales et mesostructurales. L’objectif de cette thèse est de comprendre ces deux aspects et de proposer des modèles simples afin de réaliser un dimensionnement fiable et optimisé. Ainsi, différents chargements et la dispersion associée ont été étudiés. Si une distribution de Weibull permet de décrire la dispersion en traction, l’utilisation d’une contrainte équivalente couplée à une statistique de Weibull permet de prédire la dispersion pour d’autres types de chargements. L’observation des essais de compression par tomographie à rayon X indique sans ambiguïté que la déformation est localisée sous forme de bandes. La modélisation de localisation de la déformation est réalisée en utilisant la méthode des éléments finis dans le cadre de la plasticité des matériaux compressibles. L’erreur commise lorsque ces phénomènes de localisation sont ignorés est quantifiée. Un plus grand réalisme peut être atteint encore en considérant l’hétérogénéité initiale de la mousse dans la simulation. Enfin une tentative de prise en compte de la connaissance 3D réelle de la structure par tomographie dans la modélisation continue est présentée.

An extensive experimental program and detailed mechanical analysis were performed to test and model the statistical response of aluminum foams under complex loading conditions. These test results show a large scatter and a significant size effect especially on standard deviation. A Weibull statistical analysis is performed. Both mean fracture stress in tension and mean peak stress in compression and the corresponding dispersions are correctly described by a single set of Weibull parameters. The corresponding surface of average yield/fracture stress is found to be symmetric. The experimental results are in good agreement with the predictions of the statistical model. The model predicts a bell–shaped surface for the first loading path and a quasi–elliptic one for the proportional one. The scatter found in the description of this surface is also predicted. An extension of Beremin’s micromechanical model to the statistical failure of brittle foams is presented. Alu foams cannot deform homogeneously. Strain localization bands normal to the load axis form in compression. Densification starts when all cell rows are crushed. These strain localisation phenomena must be taken into account for the identification of a constitutive model. Thus, the softening behaviour observed after the initial peak stress on all compression curves is explicitely incorporated into the constitutive model. The proposed continuum compressible plasticity was implemented into a finite element program to simulate the band formation and propagation. A good agreement is obtained with experimental results when the heterogeneous density field, deduced from tomographical analyses, is included in the simulation.