Proposition de Thèse Caractérisation et Modélisation de la rupture

Proposition de Thèse
Caractérisation et Modélisation de la rupture de l’alliage Ti-6Al-4V sous
chargement dynamique complexe
Industriel :
Laboratoires :
Safran Snecma (site de Villaroche)
ICA (Toulouse), LMS (Palaiseau)
Directeur de thèse :
Co-directeur de thèse :
Encadrant industriel :
P. Longère (ICA, ISAE-SUPAERO)
V. Doquet (LMS, Ecole Polytechnique)
J. Papasidero (Snecma)
Contexte :
L’amélioration continue des moteurs d’avion passe
notamment par l’utilisation de matériaux légers métalliques
et composites, voire hybrides comme c’est le cas pour les
aubes du moteur LEAP en Fig.1. Dans le processus de
certification d’un moteur d’avion, certaines pièces doivent
résister à des événements balistiques particuliers, tels que
l’ingestion d’oiseau(x) ou la perte d’une aube. Aujourd’hui,
un grand nombre d’essais technologiques sont réalisés pour
dimensionner les pièces en question et pour assurer le
succès de la certification du moteur.
La réduction du nombre de ces essais de grande envergure
par le recours à la simulation numérique nécessite
d’alimenter les codes de calculs en modèles matériaux et
requiert donc une connaissance approfondie du
comportement des matériaux constitutifs. Lors des
sollicitations rapides évoquées plus haut, les matériaux
constitutifs sont en effet soumis à des chargements
complexes mettant en jeu au moins localement des
déformations importantes, des vitesses de déformations
élevées, des échauffements significatifs, et de
l’endommagement avancé pouvant mener à la rupture.
limiter le nombre et le coût des essais technologiques, tout
en restant compatible avec les contraintes des bureaux
d’études liés aux temps de calcul.
Outre la nécessité d’améliorer la robustesse du
dimensionnement par la modélisation du comportement et
de l’endommagement, un deuxième enjeu majeur est de
comprendre les effets de la microstructure sur le
comportement multiaxial et la tenue à l’impact de l’alliage
de titane Ti-6Al-4V. Il s’agit en effet d’être autant que
possible capable d’anticiper les effets d’une modification
dans la gamme de production des pièces, de discriminer de
nouvelles sources potentielles d’approvisionnement et, à
terme, de pouvoir orienter les gammes de production pour
obtenir une microstructure optimisée.
Missions
Cette thèse CIFRE est lancée en partenariat avec l’Institut
Clément Ader (ICA UMR CNRS 5312, ISAE-SUPAERO,
Toulouse) et le Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS
UMR CNRS 7469, Ecole Polytechnique, Palaiseau). Le(la)
candidat(e) identifiera les effets de sollicitations
dynamiques sur les mécanismes physiques de déformation
et d’endommagements et analysera l’impact de la
microstructure
sur
les
propriétés
mécaniques
(comportement, endommagement) de différentes nuances
de l’alliage de titane Ti-6Al-4V. Pour cela, des essais
dynamiques seront réalisés, complétés par des
observations d’endommagement, en microscopie optique,
MEB. Ces travaux devront aboutir à une modélisation
permettant de prendre en compte les effets de la vitesse
sur le comportement et l’endommagement de l’alliage de
titane Ti-6Al-4V par une description phénoménologique des
micromécanismes impliqués.
Localisation du poste
Toulouse, Région parisienne (Palaiseau, Snecma site de
Villaroche).
Fig.1 : Vue partielle du moteur LEAP
Dans ce contexte, un premier enjeu de la thèse est (i) de
mettre en place une méthodologie d’identification du
comportement (viscoplasticité, endommagement) sous
chargement à grande vitesse de nuances de l’alliage de
titane Ti-6Al-4V, et (ii) de proposer un modèle de
comportement et un critère de rupture adaptés aux
mécanismes de déformation et d'endommagement
observés. L’objectif est d’améliorer la prédictibilité des
simulations du bureau d’études, et ainsi permettre de
Critères candidat
Niveau d’études requis : Bac+5
Compétences : Mécanique des matériaux, Mécanique
expérimentale, Mécanique numérique (modélisation,
éléments finis)
Goût pour l’expérimentation et la simulation numérique
Mobilité
Financement : CIFRE
Début : janvier 2017, éventuellement pré-contrat fin 2016
Contact :
Envoyer CV détaillé et lettre de motivation à
[email protected]
PhD proposal
Investigation and modeling of the failure of Ti-6Al-4V alloy under dynamic
complex loading
Company:
Safran Snecma (site de Villaroche)
Laboratories :
ICA (Toulouse), LMS (Palaiseau)
Academic Supervisor :
P. Longère (ICA, ISAE-SUPAERO)
Academic Co-supervisor: V. Doquet (LMS, Ecole Polytechnique)
Industrial Supervisor :
J. Papasidero (Snecma)
Context :
The improvement of aircraft engines requires the use of
lightweight metallic, composite or hybrid materials, as it
was done for the LEAP engine shown on Fig.1. To get official
approval, an engine has to pass balistic tests that simulate
the consequences of bird ingestion or blade loss. Today, a
large number of full-size tests are needed to design engines
able to pass these qualification tests
Numerical simulations might allow a reduction in the
number of such costly tests, provided that reliable
constitutive models and damage criteria for the structural
materials are available as an input. The aim of this project is
to provide such a physically-based model for a titanium
alloy for the high strains, high-strain rate, multiaxial
loadings induced by ballistic events, which may give rise to
adiabatic heating, damage and fracture.
Beyond this primary goal, the PhD work should also
improve the understanding of the impact of microstructural
changes on the mechanical performances of Ti-6Al-4V
under multiaxial dynamic loading.. That way, the effects of
modifications in the material production process could be
anticipated, different material supply sources could be
compared and it might even become possible to taylor the
material production process so as to obtain an optimum
microstructure.
Tasks
In addition to Safran, this PhD thesis (CIFRE procedure) will
involve the Institut Clément Ader (ICA UMR CNRS 5312,
ISAE-SUPAERO, Toulouse) and the Laboratoire de
Mécanique des Solides (LMS UMR CNRS 7469, Ecole
Polytechnique, Palaiseau). The candidate will have to
analyze the deformation and damage mechanisms of a
titanium alloy at high-strain rates, and to correlate with its
different possible microstructures. For that purpose,
various types of dynamic tests will be run and followed by
observations with optical and scanning electron
microscopies. As a result, a model able to predict strain rate
effects on the behaviour and damage of Ti-6Al-4V and
capturing, in a phenomenological way, underlying physical
micromechanisms will be developped.
Location
Toulouse, Paris Région (Palaiseau, Snecma site de
Villaroche).
Prerequisites
Master of Science or equivalent
Skills : Mechanics of materials, experimental mechanics, ,
Numerical simulations in mechanics (finite element
method)
The applicant should appreciate both experiments and
numerical simulations
Mobility
Fig.1 : Partial view of the LEAP engine
The purposes of the PhD work are twofold: (i) to set up an
experimental/numerical procedure for the identification of
constitutive equations for various batches of Ti-6Al-4V with
different microstructures under dynamic loading, and (ii) to
propose a predictive damage model, based on the observed
damage mechanism. The aim is to improve existing
prediction methods and thus to reduce the number of fullscale tests, while keeping computation times reasonable at
the design stage.
Grant : CIFRE
PhD Start: January 2017 with a possibility of pre-contract by
the end of 2016
Contact :
Detailed CV and motivation letter to be e-mailed to
[email protected]