Étude du comportement dynamique et modélisation thermoviscoplastique de nuances d'acier soumises à un impact balistique

Study of the dynamic behavior and thermoviscoplastic modeling of steel sheet subjected to ballistic impact

• Auteur / Autrice : Kokouvi Mawuli Kpenyigba
• Direction : Alexis Rusinek, Raphaël Pesci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 23/10/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABPS - Laboratoire de mécanique Biomécanique Polymère Structures - EA4632
• Jury : Président / Présidente : Nadia Bahlouli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zitouni Azari, Christophe Czarnota, Patricia Verleysen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Markiewicz, Han Zhao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasticité

Impact

Propriétés thermomécaniques

Acier

Mots clés libres

Comportement dynamique des matériaux

Modélisation

Lois de comportement

Aciers

Impact balistique

Simulation numérique

Abaqus

Résumé

Ce travail de thèse a pour but de contribuer à l'étude du comportement thermomécanique des matériaux métalliques soumis à un impact balistique. Des études expérimentales, analytiques et numériques ont été réalisées pour analyser en détail le processus de perforation. Deux matériaux ont été étudiés au cours de ce travail : un acier doux ES et un acier IF. Dans un premier temps, des essais de caractérisation mécanique (traction et compression quasi-statique et dynamique) ont été réalisés en vue de la modélisation du comportement mécanique des matériaux étudiés. Les résultats montrent que l'acier doux ES et l'acier IF sont très sensibles à la vitesse de déformation. Deux modèles constitutifs, l'un empirique (Johnson-Cook) et l'autre semi-physique (Rusinek-Klepaczko) ont été utilisés pour modéliser le comportement thermoviscoplastique des matériaux. Une identification complète des constantes définissant les deux modèles a été réalisée pour chaque matériau en vue de l'implémentation des lois dans un code éléments finis pour la simulation numérique des essais d'impact et de perforation. Le comportement à l'impact des matériaux a ensuite été étudié. Les essais d'impact et de perforation ont été réalisés à l'aide d'un canon à gaz. L'influence de la géométrie du projectile, des propriétés mécaniques du matériau le constituant, de l'épaisseur de la cible et de sa configuration (sandwich ou monolithique) sur le processus de perforation a été analysée. Les résultats montrent que le mode de rupture, la limite balistique et la capacité d'absorption d'énergie de la cible métallique sont fortement liés à la forme du projectile utilisé. Il a été montré que les cibles métalliques monolithiques résistent mieux à la perforation que les configurations sandwichs (épaisseur totale inférieure ou égale à 4 mm). En outre, il a été trouvé que la limite balistique de la cible est fortement influencée par la rigidité du projectile utilisé. Enfin un modèle EF 3D a été développé permettant de simuler le comportement mécanique des cibles métalliques soumises à l'impact et à la perforation. Les résultats issus des prévisions numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Il a été observé de façon globale un bon accord entre les prévisions numériques et l'expérience notamment en termes de courbes balistiques, d'énergie absorbée, de modes de rupture et de temps de rupture pour chaque type de projectile. Les résultats numériques montrent l'importance d'une description précise du comportement des matériaux dans les conditions dynamiques basée sur des expériences de laboratoire incluant les effets d'adoucissement thermique, d'écrouissage et de sensibilité à la vitesse de déformation, dans la modélisation numérique de processus physiques

This thesis aims to contribute to the study of the thermo-mechanical behaviour of metallic materials subjected to ballistic impact. Experimental, analytical and numerical studies were performed to analyze in details the process of perforation. Two materials have been investigated in this work : mild steel ES and IF steel. As a first step, mechanical characterization tests (tensile and compression tests under quasi-static and dynamic conditions) As have been made towards to modeling the mechanical behaviour of the materials studied. The results show that mild steel ES and IF steel are highly susceptible to the strain rate. Two constitutive equations, one empirical (Johnson-Cook) and other semi-physical (Rusinek-Klepaczko) were used to model the thermoviscoplastic behaviour of materials. A complete identification of constants defining the two models was carried out for each material in order to implements the constitutive laws into a finite element code for the numerical simulation of impact and perforation tests. The behaviour of materials under impact was then examined. The effect of the projectile shape, the mechanical properties of the projectile material, the target thickness and it is configuration (monolithic or sandwich) on the perforation process was analyzed. The results show that the failure mode, the ballistic limit and the energy absorption power of the metal target are strongly related to the shape of the projectile used. It has been shown that the monolithic targets plates are more strong to be perforate than the sandwich configurations (total thickness less than or equal to 4 mm). In addition, it was found that the ballistic limit of the target is strongly influenced by the rigidity of the projectile used. Finally, a 3D FE model was developed to simulate the mechanical behaviour of metal targets subjected to ballistic impact. The results from the numerical predictions were compared with experiments. It has been observed globally a good agreement between the numerical predictions and experiments especially in terms of ballistic curves, energy absorbed, failure modes and failure time for each kind of projectile. The numerical results show the importance of an accurate description of materials behaviour under dynamic conditions based on laboratory experiments including thermal softening effects, strain hardening and strain rate sensitivity in numerical modeling of physical processes