Modélisation numérique de la rupture de structures navales sous l'effet d'explosion au contact

Numerical modelling of ship structure fracture under contact explosion

• Auteur / Autrice : Anne-Gaëlle Geffroy
• Direction : Patrice Longère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture

Acier

Éléments finis, Méthode des

Explosions

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Coques (architecture navale)

Mots clés libres

Abaqus

Résumé

Dans un contexte de vulnérabilité militaire des bâtiments de surface et sous-marins, cette étude, réalisée dans le cadre d'une thèse CIFRE DCNS-LIMATB, a pour objectif la prédiction numérique de la réponse de structures navales soumises à explosion au contact. Dans cette perspective, ce travail vise la description de l'endommagement et de la rupture dynamique de matériaux métalliques. Le matériau de l'étude est un acier doux ferrito-perlitique constitutif des coques de bâtiments de surface. Pour étudier les effets couplés du taux de triaxialité des contraintes, de la déformation, de la vitesse de déformation, et de la température, une vaste campagne expérimentale a été menée, incluant des tests mécaniques de laboratoire ainsi que des essais d'explosion en air libre. Les observations microstructurales d'éprouvettes et de plaques sollicitées ont parallèlement révélé la coexistence de deux mécanismes distincts d'endommagement : la croissance de cavités sphériques et une microfissuration. Les résultats expérimentaux et les constats micrographiques ont alors servi de support à une modélisation avancée du comportement élasto-thermo-viscoplastique du matériau de l'étude et ont permis de construire un formalisme original au travers d'un modèle multi-surfaces et multi-mécanismes rendant compte notamment des effets retardants de la vitesse et de la température sur la cinétique de l'endommagement ductile, ainsi que des conséquences de l'endommagement, isotrope (par croissance de cavités) et anisotrope (par microfissuration). Des modèles tridimensionnels ont finalement été implantés en tant que lois utilisateur dans le code industriel de calculs par éléments finis ABAQUS. Plusieurs configurations d'essais d'explosion en air libre ont été simulées en utilisant la carte CONWEP d' ABAQUS, destinée à reproduire l'interaction fluide/structure durant l'explosion et dont les limites ont été mises en évidence. Les performances des modèles sont jugées encourageantes et des pistes d'amélioration sont données.

In the context of military vulnerability of ships and submarines, this work, supported by a DCNS-LIMATB CIFRE, deals with the numerical prediction of the response of ship structures submitted to contact explosion. The ship structure constitutive material at stake is ferritic-pearlitic, mild steel. In order to study the coupling effects of stress triaxiality, strain, strain rate and temperature, an important experimental campaign was carried out, including laboratory mechanical tests as well as air blast tests. The microstructural observations of post-mortem samples and plates revealed the co-existence of two different mechanisms of ductile damage: cavity growth and micro-cracking. In agreement with the experimental results and the micrographic observations, an advanced elastic-thermo/viscoplastic model was built and a more complete, original formalism is proposed through a multi-surface and multi-mechanism model, describing notably the delaying effects of strain rate and temperature on the damage kinetics and the consequences of both damage mechanisms, namely isotropic (cavity growth) and anisotropic (microcracking). Models were finally implemented as user materials in the engineering finite element computation code ABAQUS. Several configurations of air blast tests were simulated using the card CONWEP of ABAQUS, devoted to reproduce the fluid/structure interaction during the process of explosion and which limits were shown. The numerical results are encouraging and some improvements are suggested.