ECOLE DOCTORALE ED468 « Mécanique, Energétique, Génie

ECOLE DOCTORALE
ED468
« Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés »
Proposition de sujet de thèse - Contrats Doctoraux 2016-2019
Titre du sujet
Méthode de simulation de la fragmentation de structures élancées
fragiles en vue du dimensionnement des structures aérospatiales
Responsable (s)
Salaün Michel
Christine Espinosa
Laboratoire
Tél : 05 61 33 92 83
Mél : [email protected]
Tél : 05 61 33 92 54
Mél : [email protected]
Institut Clément Ader
www.institut-clement-ader.eu
Description du sujet : La fragmentation est un phénomène de rupture fragile d’une pièce à l’issue de laquelle
des éclats de matière se détachent. Elle intervient dans des matériaux présentant naturellement un comportement
fragile (verres, céramiques), ou dans des matériaux soumis à des sollicitations sévères très localisées (impacts,
chocs, détonations, explosions). Les applications sont nombreuses : impacts énergétiques sur structures
composites, arrachements par propagations de criques dans des structures métalliques, tenue de réservoirs … Les
structures élancées de type plaques ou poutres, soumises à une compression dynamique, vont aggraver le risque
de fragmentation si elles présentent une résistance au flambage ou au pliage. La représentation numérique de la
fragmentation, des déchirures et de la génération d’éclats nécessite de représenter le découpage de la matière
grâce à l’utilisation de critères sur l’état de charge vu localement par la matière et de méthodes représentant la
décharge par un transfert de potentiel dans les morceaux de structure. Les méthodes de représentation de
l’évolution de la géométrie des structures qui s’appuient sur une discrétisation spatiale en grille (type éléments
finis), ne permettent pas de suivre un trajet aléatoire et obligent les fissures à suivre les bords des éléments. A
contrario, les méthodes de représentation de la position de la matière sans maillage permettent de générer des
ouvertures dans la matière simplement. Des premiers travaux sur la génération de débris de petites dimensions
grâce à la création de particules ont été menés au laboratoire. Ces travaux ont permis de développer un outil de
calcul appelé ‘MPFrag’ utilisant la méthode MPM (Material Point Method) qui représente séparément différents
stades de la génération de fragments à partir d’une structure intègre et saine. L’outil a été développé en
environnement Mtalab orienté objet. Il permet à ce jour de créer des fragments dans une structure sphérique ou
cylindrique soumise à une traction unixiale ou une compression dynamique unixiale.
Le projet concerne le développement et l’utilisation de l’outil de calcul MPFrag Pour prédire la rupture d’une
structure élancée de type poutre, représentant un spaghetti. Différents modèles de matériaux seront utilisés à
l’intéreieur de cette structure : isotrope linéaire fragile, anisotrope linéaire fragile, anisotrope non linéaire. La
première étape de cette étude sera consacrée à l’amélioration de l’outil de calculs et à l’étude de cas théoriques
représentatifs de comportement fragiles, en vue de déterminer les limites et possibilités de différentes méthodes
de la mécanique des milieux continus généralisés à modéliser la distribution de tailles et vitesses résiduelles de
fragments sur des cas analytiques ou expérimentaux de référence pour des sollicitations simples (traction 1D par
exemple). Les simulations de cas simples seront comparées à des essais réalisés au laboratoire sur des
sollicitations simples d’éprouvettes élémentaires (1 poutre noyée dans de la résine) et à des essais numériques de
fragmentation avec d’autres méthodes numériques (méthodes cohésives, nodal splitting, transformation EF en
SPH) dans une seconde étape. La dernière partie du travail aura pour objectif de développer des modèles de
représentation des ruptures sur des cas de sollicitations 3D (type impacts), pour des cas d’application de thèses
précédentes (crash de structures composites, Floran Tostain) afin d’évaluer l’apport des améliorations proposées.
[1] Y.F. Niu, K. Han, and J-P. Guin, Locally enhanced dissolution rate as a probe for nano contact-induced
densification in oxide glasses, Langmuir (2012) 28[29]: 10733-10740.
[2] S. Levy, J.F. Molinari, R. Radovitzky, Dynamic fragmentation of a brittle plate under biaxial loading:
strength or toughness controlled?, International Journal of Fracture (2012) 174:203-215.
Secrétariat : Anne-Claire
Pinheiro
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