Méthode des champs virtuels pour la caractérisation du comportement dynamique de matériaux métalliques sous chargement purement inertiel

Virtual fields method for the dynamic behaviour of metallic materials under purely inertial loads

• Auteur / Autrice : Pascal Bouda
• Direction : Eric Markiewicz, Fabrice Pierron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 11/03/2019
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Julien Réthoré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Markiewicz, Fabrice Pierron, Michel Grédiac, Jean-Philippe Ponthot, Bertrand Langrand, Delphine Notta-Cuvier, Patricia Verleysen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Grédiac, Jean-Philippe Ponthot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inertie (mécanique)

Déformations (mécanique)

Viscoplasticité

Mots clés libres

Méthode des champs virtuels

Essai d’impact

Modèle de Johnson-Cook

Optimisation

Virtual fields method

Impact test

Viscoplasticity

Johnson-Cook model

Optimization

Résumé

Les travaux de la thèse visent à mettre en place une méthodologie innovante de caractérisation du comportement viscoplastique des matériaux métalliques sous chargement purement inertiel. Sous chargements mécaniques extrêmes (e.g., crash, impact ou explosions), leur comportement mécanique présente en effet pour nombre d’entre eux une sensibilité à la vitesse de déformation. Des approches dites statiquement déterminées sont majoritairement utilisées pour caractériser leur comportement, mais elles requièrent de nombreux essais dont les conditions expérimentales sont souvent contraintes comme par exemple l’homogénéité de la vitesse de déformation qui doit être maintenue constante en temps par exemple. En revanche, des approches dites statiquement indéterminées permettent l’exploitation d’essais mécaniques avec peu d’hypothèses (voire sans) sur les conditions d’essai. Une méthodologie fondée sur un essai d’impact purement intertiel est mise en oeuvre ici pour identifier le comportement viscoplastique de ces matériaux. Avec la Méthode des Champs Virtuels, la méthodologie permet l’identification des paramètres matériaux en exploitant uniquement la mesure des champs de déformation et d’accélération, potentiellement hétérogènes en temps et en espace. Ainsi, celui-ci peut être caractérisé sur une large gamme de déformations et de vitesses de déformation plastiques en procédant à un nombre limité d’expériences. La méthode repose sur le développement d’un simulateur d’images avancé permettant de définir au préalable l’ensemble du dispositif expérimental (géométrie de l’éprouvette et conditions expérimentales). Optimisées numériquement pour prescrire les paramètres d’essai critiques, les réalisations expérimentales menées sur un alliage de Titane utilisé dans l’industrie aéronautique ont permis d’identifier les paramètres d’un modèle de Johnson-Cook sur un spectre de déformations et de vitesses de déformation plastiques pré-déterminé. Les incertitudes de la mesure sont également intégrées et analysées dans ce travail.

This thesis aims at developing an innovative methodology for viscoplastic material behaviour characterization of metallic materials under purely inertial loads. Indeed, their mechanical behaviour under extreme conditions (e.g., crash, impact or explosions) is often rate-dependant. Statically determinate approaches are mainly used to characterize their behaviour. However, they require numerous tests for which testing conditions are strongly constrained, such as the strain rate which has to remain constant in time and space for instance. By contrast, statically undeterminate approaches enable test processing with a few (or without) hypotheses on experimental conditions. In this work, the Image-Based Inertial Impact test methodology has been extended to characterize the viscoplastic behaviour of metallic materials. Owing to the Virtual Fields Method, it enables the identification of constitutive material parameters with the sole knowledge of strain and acceleration fields (possibly heterogeneous in time and space). Therefore, constitutive models can be characterized over a wide range of plastic strain and strain rate, while the number of tests is limited. Tests design notably relies on the development of a synthetic images generator to determine the experimental setup (e.g., specimen geometry or testing conditions). Finally, experiments are carried out with optimized test configurations to identify Johnson-Cook parameters over a predicted range of plastic strain and strain rate for a titanium alloy widely used in aerospace industry. Identification uncertainties are also quantified and analysed in this work.