Analyse expérimentale des cinématiques de changement d'échelles en mécanique non linéaire

Experimental investigation of the kinematic of scales changings in non linear mechanics

• Auteur / Autrice : Jérémy Marty
• Direction : Alain Combescure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 05/02/2015
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Michel Coret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Combescure, Michel Coret, Rafael Estevez, Samuel Forest, Pierre Kerfriden, Julien Réthoré, Julien Yvonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafael Estevez, Samuel Forest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Cinématique

Mécanique non linéaire

Mots clés libres

Mécanique

Mécanique non linéaire

Calcul des structures

Elasticité

Elastoplasticité

Rupture

Fissuration

Cinématique

Changement d'échelle

Méthode de corrélation d'images

Mechanics

Nonlinear mechanics

Structure calculation

Elasticity

Elastoplasticity

Fracture

Cracking

Kinematics

Multiscale method

Scale changing

Image correlation

Résumé

L'industrie se tourne de plus en plus vers les matériaux composites. A l'échelle de la microstructure leur comportement est fortement hétérogène mais à l'échelle de la structure ceux-ci peuvent être considérés homogène. Les méthodes multi-échelles ont été développées pour résoudre les problèmes de structure avec un temps de calcul raisonnable. Ces méthodes sont validées par comparaison avec un calcul numérique où les hétérogénéités sont entièrement maillées. Dans ce travail de thèse, une structure architecturée modèle a été créée au centre d'une plaque (homogène) mince en acier inoxydable (304L). La cellule unitaire du matériau architecturé est constitué d'un carré avec un trou au centre. L'utilisation d'une caméra à très haute résolution (270 millions de pixels) permet de suivre simultanément l'évolution des déformations aux échelles microscopique et macroscopique. La variation de l'orientation de la structure architecturée modifie les sollicitations appliquées aux cellules unitaires. Les expériences réalisées ont pour but d'analyser les cinématiques de déformation des cellules unitaires sous un chargement multi-axial. La recherche des cellules ayant une cinématique périodique est réalisée. Il est ainsi montré que les cellules avec une cinématique non périodique correspondent à la zone de transition entre le matériau architecturé et le matériau homogène. La connaissance des cinématiques des cellules permet d'investiguer les changements d'échelles dans le domaine linéaire et non-linéaire. Le passage de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique est particulièrement étudié avec le choix des conditions aux limites. Le remplacement des cellules ayant une cinématique périodique par un milieu homogène équivalent (MHE) est traité. La géométrie de la cellule unitaire introduit des symétries dans le comportement du MHE, celui-ci devient cubique. Les caractéristiques élastiques du MHE sont obtenus par homogénéisation à partir des résultats expérimentaux. Un critère de Tsaï-Hill est identifié dans le domaine non-linéaire. Le dernier chapitre s'intéresse à la fissuration de la zone architecturée et à l'initiation de la localisation des déformations dans les cellules. Le support de la localisation est calculé à partir du champ des déformations mesuré par CIN. La cinématique de la cellule est enrichie avec une discontinuité et le saut de déplacement normal à la localisation est identifié. Une comparaison avec le saut de déplacement calculé par corrélation d'images étendue à l'échelle macroscopique est menée afin de valider la stratégie d'identification à l'échelle microscopique.

Industry employ more and more composite materials in structures todecrease the weight. At the microstructure scale behavior is strongly heterogeneous but at the structure scale behaviour may be considered homogeneous. Multiscale methods have been developed to solve the structural problems with a reasonable calculation time. These methods are validated by comparison with a numerical calculation where heterogeneities are fully meshed. In this thesis work, an ideal architectural material was created in the center of a (homogeneous) stainless steel (304L) thin plate. The unit cell architecture material consists of a square with a hole in the center. The use of a high resolution camera (270 million pixels) allows to follow simultaneously the evolution of deformation at microscopic and macroscopic scales. The orientation of the heterogeneous structure modifies the sollicitations applied to the unit cells. The experiments are designed to analyze the kinematics of deformation of the unit cells in a multi-axial loading. Unit cells with periodic kinematics are searched. It is thus shown that the cells with a non-periodic kinematic correspond to the transition zone between the homogeneous material and the architectured material. Knowledge of the kinematic cells allows to investigate the scale changings in the linear and nonlinear range. The downscaling from the macroscopic to the microscopic scale is particularly studied with the choice of boundary conditions. An equivalent homogeneous medium (MHE) is determined as a remplacement for the cells having a periodic kinematic. The geometry of the unit cell introduced symmetries in the behavior of MHE, it becomes cubic (orthotropic with material parameters). The elastic characteristics of the MHE are obtained by homogenization from the experimental results. A criterion of Tsai-Hill is identified in the non-linear domain. The last chapter is interested in cracking of the architected zone and the initiation of strain localization in cells. The support of location is calculated from the strain field measured by correlation. The kinematics of the cell is enriched with a discontinuity and the displacement jump normal to the localization is identified. A comparison with the displacement jump calculated by extended digital image correlation at the macroscopic scale is conducted to validate the identification strategy at the microscopic level.