Endommagement du verre dû à l’indentation et à l’impact

Damage behavior of glass subjected to static contact and impact loading

• Auteur / Autrice : Jewan Ismail
• Direction : Moussa Naït Abdelaziz, Zitouni Azari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Energétique, Matériaux
• Date : Soutenance le 09/07/2010
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Modèles mathématiques

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Impact

Indentation des matériaux

Érosion

Fissuration

Verre plat

Mots clés libres

Modèle d'endommagement continu

Fissure conique

Résumé

Dans une première partie de cette thèse, l’indentation du verre par des sphères rigides a été analysée numériquement. Un modèle d’endommagement continu anisotrope a été implanté dans un code de calculs par éléments finis pour étudier l’endommagement du verre. Trois zones ont été mises en évidence : la première est liée à la fissure conique, la deuxième à la fissure médiane et la troisième à la déformation permanente. Les directions des fissures prédites via le critère de densité d’énergie minimale ont été trouvées en très bon accord avec ceux déterminées expérimentalement dans la littérature. Le modèle utilisé dans l’analyse statique a été étendu aux cas dynamiques dans une deuxième partie de cette thèse. Une attention particulière a été portée sur la fissure conique. Un modèle d’endommagement simplifié (seulement gouverné par la contrainte principale maximale) couplé à la technique de désactivation des éléments a été utilisé pour suivre la propagation de la fissureconique sans présumer du site d’initiation. Dans une dernière partie de cette thèse, le phénomène d’érosion du verre a été étudié expérimentalement (par sablage) et numériquement. Le modèle implanté a été utilisé pour expliquer les observations expérimentales, en particulier la dépendance de l’enlèvement de matière vis-à-vis de la taille des projectiles, la distance inter-projectiles, la vitesse d’impact, l’angle d’impact et le nombre d’impacts. En modélisant plusieurs tailles et vitesse de projectiles en accord avec les paramètres expérimentaux connus, la simulation numérique d’un seul impact a prédit une quantité de matière enlevée en très bon accord avec celui mesuré expérimentalement par profilométrie.

In a first part of this thesis, the indentation of glass bulk was numerically analyzed using small-sized rigid spheres loaded normally. An anisotropic continuum damage mechanics (CDM) model was implemented into a finite element program to study the damage pattern in glass. The CDM-based model pointed out three explicit sites for damage initiation: the first for cone crack, the second for median crack and the third for permanent deformation. The directions of crack propagation predicted via the criterion of minimum strain energy density were found in very good agreement with those experimentally obtained in the literature. The CDM framework used in the static modeling was extended to the dynamic cases in a second part of this thesis. A particular attention was paid to the cone crack pattern. A simplified CDM-based model (only governed by the maximum principal stress) coupled with the vanishing element technique was employed to follow the cone crack propagation without presuming the initiation site. In the last part of this thesis, the phenomenon of glass erosion was studied from experimental (sandblasting) and numerical approaches. The implemented CDMbased model was used to explain the experimental observations, especially the dependence of material removal on projectile size, inter-projectile spacing, velocity, angle and number of impacts. By modeling various projectile sizes and velocities according to those used in the experiments, the numerical simulation of a single impact predicted an amount of material removal in very good agreement with that measured experimentally using a profilometer.