Sur la modélisation et la simulation du comportement mécanique endommageable de verres borosilicatés sous sollicitation thermique

On the modeling and simulation of the mechanical behavior and damage of borosilicate glass under thermal loading

• Auteur / Autrice : Nicolas Barth
• Direction : Yves Rémond, Saïd Ahzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 15/07/2013
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides et des solides (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Laszlo Toth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Rémond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Boisse, Moussa Naït Abdelaziz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Relaxation des contraintes

Minéraux silicatés

Propriétés thermomécaniques

Bore -- Composés

Mots clés libres

Simulation thermique

Verre borosilicaté

Relaxation structurale

Calcul de structure thermomécanique

Mécanique de l'endommagement continu

Thermal simulation

Borosilicate glass

Structural relaxation

Thermomechanical structure simulation

Continuum Damage Mechanics

Résumé

On étudie le comportement thermomécanique de colis de déchets vitrifiés par modélisation multi- physiques. Les colis sont réalisés avec un conteneur en acier inoxydable dans lequel est coulé un verre borosilicaté. Pour le verre, la méthode des éléments finis est employée pour les calculs thermiques, la relaxation structurale du volume massique, le comportement viscoélastique et l’endommagement. Ces lois consécutives modélisent l’influence de la sollicitation thermique initiale. La relaxation structurale du verre, issue du modèle TNM-KAHR, permet la prise en compte d’effets fondamentaux quant à la transition vitreuse, en fonction des traitements thermiques expérimentaux et simulés. Lorsque le verre dépasse localement une criticité du champ de contrainte, on procède au couplage du calcul de structure viscoélastique, pour le verre solide en relaxation,avec la mécanique de l’endommagement qui réactualise la rigidité et les contraintes en mode I et en mode II. On applique cette méthodologie complète de simulation à l’issue des adaptations nécessaires au cas de blocs de verre massifs en solidification. Ces modèles permettent alors l’obtention de surfaces de fracturation quantifiées, dans le verre, à partir de l’énergie dissipée par le modèle d’endommagement.

We study the thermomechanical behavior of vitrified waste packages by multiphysics modeling. The packages are manufactured by the cast of borosilicate glass into stainless steel canisters. The finite element method is used for the thermal computations.In the glass, the finite element analysis is also used to compute the specific volume evolution and the viscoelastic behavior, due to the structural relaxation of glass, as well as the simulation of the damage behavior. These consecutive behavior laws model theinfluence of the initial thermal response. Glass structural relaxation is computed using the TNM-KAHRmodel, which allows us to take into account fundamental phenomena of the glass transition, depending on the results of experimental and simulated thermal treatments. For the solid glass within this relaxation process, the stress may locally increase beyond critical values. The viscoelastic structure simulation is then coupled with continuum damage mechanics where stresses and stiffness are updated in mode I and mode II. We apply this simulation protocol after adopting conditions relative to the case of these manufactured bulky solidifying glass casts. The models then allow us to quantify the cracking surfaces inside the glass fromthe energy dissipated within the damagemodel.