Variational approach to fracture mechanics with plasticity

par Roberto Alessi

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Jean-Jacques Marigo.

Soutenue en 2013

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Approche variationnelle de la mécanique de la rupture avec plasticité


  • Résumé

    Dans le cadre des systèmes rate-independent, un modèle de plasticité avec endommagement, visant à la description des processus de rupture ductile, est proposé et étudié par une formulation variationnelle. Une fissure cohésive, ou ductile, se produit lorsque le champ de déplacement subit une discontinuité, tout en étant encore associé à une contrainte de traction non nulle. Prévoir et décrire efficacement les phénomènes de rupture ductile est une tâche cruciale pour de nombreux matériaux d'ingénierie (métaux, polymères,. . . ), comme en témoigne le grand intérêt de la communauté scientifique sur le sujet. Modèles d'endommagement à gradient ont été fructueusement utilisé pour la description des ruptures fragiles: dans ce cas, une fois que le niveau d'endommagement atteint sa valeur maximale, une fissure est créée lorsque la traction entre les deux faces opposées tombe immédiatement à zéro. D'autre part, le modèle de plasticité parfaite pourrait décrire la formation de la glisse plastique au niveau constant de contrainte. Par conséquent, afin de décrire les effets typiques d'une rupture cohésive, l'idée principale consiste à coupler, par une approche variationnelle, le modèle de plasticité parfaite et un modèle d'endommagement à gradient. L'utilisation d'une approche variationnelle se traduit par une formulation faible et sans dérivées, fournit des moyens efficaces pour traiter les notions de bifurcation et de stabilité, est intrinsèquement discret et indique une manière naturelle et rationnelle pour définir des algorithmes numériques efficaces. L'incorporation des effets d'endommagement dans un modèle de plasticité n'est pas une idée nouvelle. Néanmoins, le modèle proposé présente de nombreux aspects originaux comme le couplage entre la plasticité et l'endommagement et la façon avec laquelle l'évolutions des variables se trouvent. L'approche variationnelle s'appuie simplement sur ​​trois concepts: une condition d'irréversibilité, une condition de stabilité globale, locale ou différentielle et le bilan énergétique. Le modèle résultant possède une grande flexibilité dans les réponses possibles couplées, en fonction des paramètres constitutifs. Ces diverses réponses sont d'abord examinées avec un test d'une barre unidimensionnelle en traction quasi-statique en assumant une évolution homogène qui met en évidence les principales caractéristiques du modèle. La discussion sur la stabilité des solutions homogènes conduit à l'existence d'une longueur de la barre critique qui à son tour dépend de la longueur interne caractéristique du matériel. En considérant des barres plus longues par rapport à cette valeur critique, on démontre que la réponse homogène devient instable. Par conséquence une localisation doit apparaitre dans la barre. Une construction de localisation est ensuite proposée, qui prend explicitement en compte la condition d'irréversibilité sur le champ d'endommagement. Ceci permet d'étudier l'évolution non homogène et la réponse globale. Il s'avère que, en général, une fissure cohésive apparaît au centre de la zone d'endommagement avant la rupture. A ce stade, la déformation plastique se localise comme une mesure de Dirac qui devient responsable de cette fissure cohésive. On obtient la loi cohésive associée en termes de paramètres du modèle et retrouve la loi de fracture cohésive postulée par Barenblatt. Enfin, un schéma de résolution numérique est proposé, qui est basé sur un algorithme de minimisation alternée, et mis en œuvre par une librairie d'éléments finis uniquement pour le test de barre en traction. Même si l'espace d'éléments finis adoptés ne peut pas incorporer les discontinuités, les résultats numériques s'accordent parfaitement avec les solutions analytiques. Néanmoins, les développements futurs visent à étendre les simulations dans un cadre à deux / trois dimensions et de tester une méthode d'éléments finis généralisée


  • Résumé

    In the framework of rate-independent systems, an elastic-plastic-damage model, aimed at the description of ductile fracture processes, is proposed and investigated through a variational formulation. A cohesive, or ductile, crack occurs when the displacement field suffers a discontinuity whilst still being associated to a non-vanishing tensile stress. To predict and effectively describe ductile fracture phenomena is a crucial task for many engineering materials (metals, polymers,. . . ), as testified by the great interest of the scientific community on the subject. Gradient damage models have been fruitfully used for the description of brittle fractures: in such cases, once the damage level reaches its maximum value, a crack is created where the traction between the two opposite lips immediately drops to zero. On other other hand, the perfect plasticity model could describe the formation of plastic slips at constant stress level. Hence, in order to describe the typical effects of a cohesive fracture, the main idea is to couple, through a variational approach, the perfect plasticity model and a softening gradient damage model. The use of a variational approach results in a weak and derivative-free formulation, gives effective means to deal with the concepts of bifurcation and stability, is intrinsically discrete and indicates a natural and rational way to define efficient numerical algorithms. Embedding damage effects in a plasticity model is not a new idea. Nevertheless the proposed model presents many original aspects as the coupling between plasticity and damage and the way the governing equations of the variables are found. The variational approach relies simply on three concepts: the irreversibility condition, a global, local or differential stability condition and the energy balance. The resulting model possesses a great flexibility in the possible coupled responses, depending on the constitutive parameters. These various responses are first considered by investigating in a one-dimensional quasi-static traction bar test a homogeneous evolution which highlights the main features of the model. The discussion about the stability of the homogeneous solutions leads to the existence of a critical bar length which in turn depends on the characteristic internal material length. For bars that are longer than this critical value the homogeneous response is proven to become unstable and a localization must appear. A construction of localization is then proposed which explicitly takes into account the irreversibility condition on the damage field. This allows the non-homogeneous evolution and the global response to be investigated. It turns out that in general a cohesive crack appears at the center of the damage zone before the complete rupture. At this point the plastic strain localises as a Dirac measure which becomes responsible for this cohesive crack. The associated cohesive law is obtained in a closed form in terms of the parameters of the model and it recovers the cohesive fracture law postulated by Barenblatt. Finally, a numeric scheme is proposed, which is based on an alternate minimization algorithm, and implemented through a finite element library only for the one-dimensional traction bar test. Although the adopted finite element spaces do not embed discontinuities, the numeric results agree perfectly with the analytic solutions. This is due to a kind of numeric regularisation. Nevertheless, future developments aim to extend the simulations in a two/three-dimensional setting and test a generalized finite element method

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  • Détails : 1 vol. (204 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 156 réf.

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