Caractérisation et modélisation de la rupture dans le domaine de la transition ductile-fragile de matériaux tubulaires utilisés dans la fabrication de générateurs de gaz pour airbags

Characterization and modeling of fracture in the field of ductile to brittle transition of tubular materials used in the manufacture of airbag gas generators

• Auteur / Autrice : Camille Caisso
• Direction : Nicolas Georges Marcel Jacques
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 09/11/2021
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Autoliv
• Jury : Président / Présidente : Jacques Besson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Mercier, Harold Fresnel, Younes Demmouche, Aboulghit El Malki Alaoui
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Froustey, Patrice Longère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Rupture, Mécanique de la

Analyse plastique (théorie des constructions)

Propriétés thermomécaniques

Basses températures

Essais de résilience

Tubes en acier

Acier au carbone

Simulation par ordinateur

Conception et construction

Automobiles -- Coussins de sécurité

Mots clés libres

Endommagement et rupture

Transition ductile-fragile

Comportement thermo-visco-élastoplastique

Essais mécaniques

Modélisation numérique

Matériaux métalliques

Damage and fracture

Ductile to brittle transition

Thermo-visco-elastoplastic behavior

Mechanical tests

Numerical modeling

Metallic materials

Résumé

Ce travail porte sur la caractérisation des mécanismes de rupture, ductile et fragile, de matériaux tubulaires utilisés pour la fabrication de générateurs de gaz pour airbag. Lors d’un accident, le coussin d’un airbag est gonflé en quelques millisecondes par un générateur de gaz. En cas de défaillance de ce dernier, un mode de rupture ductile doit être assuré jusqu’à des températures de -60°C. Un essai Charpy sur éprouvette anneau a été proposé pour quantifier le risque de rupture fragile des matériaux des générateurs de gaz. Cependant, cette modification de l’essai Charpy soulève deux problématiques : dans quelle mesure cet essai permet de caractériser la transition ductile-fragile et comment déduire le risque de rupture fragile d’un générateur de gaz en fonctionnement à partir des résultats des essais Charpy ? Pour répondre à ces questions, une approche combinant essais et simulations numériques a été mise en place. Différents essais ont été développés afin de caractériser le comportement et l’endommagement ductile du matériau de l’étude. Une approche locale de la rupture ductile a été adoptée pour la modélisation. Ensuite, une campagne d’essais Charpy sur anneau effectuée pour des températures comprises entre -160°C et 23°C a permis de caractériser la transition ductile-fragile. Une étude numérique de cet essai a été menée puis couplées aux essais Charpy, cela a permis de mettre en place une modélisation de la rupture fragile. Le risque de rupture fragile des éléments structuraux de générateurs de gaz est enfin évalué. L’influence du procédé de fabrication sur le risque de rupture fragile a aussi été étudiée.

This work deals with the characterization of the ductile and brittle failure mechanisms of tubular materials used for the manufacture of airbag gas generators. During a crash, airbag cushion is inflated in a few milliseconds by a gas generator. In case of gas generator failure, a ductile failure mode must be ensured up to temperatures of -60°C. A Charpy ring test has been proposed to quantify the risk of brittle failure of gas generator materials. However, this modification of the Charpy test raises two issues: to what extent does this test allow to characterize the ductile-fragile transition and how can the risk of brittle failure of an operating gas generator be deduced from the results of the Charpy test? To answer these questions, an approach combining experiments and numerical simulations was implemented. Various experimental configurations were developed in order to characterize material behavior and ductile damage. The ductile failure is modeled with a local approach. Then, ductile to brittle transition was characterized by a Charpy ring test campaign performed for temperatures between -160°C and 23°C. A numerical study of this test was carried out. Coupled with the Charpy tests, it allowed to set up a model of the brittle failure. The risk of gas generators brittle failure is finally evaluated. The influence of the manufacturing process on the risk of brittle failure was also studied.