Thèse soutenue

Étude du comportement mécanique à l'impact d'une munition à noyau ductile (petits à moyens calibres)
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Auteur / Autrice : Yann Coget
Direction : Christophe CzarnotaYaël DemartyAlexis Rusinek
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Science des matériaux
Date : Soutenance le 25/02/2022
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz)
Jury : Président / Présidente : Eric Markiewicz
Examinateurs / Examinatrices : Christophe Czarnota, Yaël Demarty, Alexis Rusinek, Patricia Verleysen, Daniel Rittel, Raphaël Pesci
Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Markiewicz, Patricia Verleysen

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Le dimensionnement et l'évaluation des gilets pare-balles nécessitent l'utilisation d'essais balistiques expérimentaux. Ces tests permettent de visualiser en situation réelle, les performances balistiques de la protection à savoir une éventuelle perforation et une déflexion de la face arrière pouvant entraîner des traumatismes lésionnels importants. Cette méthode expérimentale est souvent associée à des modèles éléments finis permettant l'étude de configurations nombreuses et complexes (types de matériaux, épaisseurs, types de munitions, etc.) et d'obtenir non seulement des structures optimisées mais également des informations complémentaires sur la réponse mécanique de la protection et des munitions à l'impact (déformations, états de contraintes, etc.).L'utilisation de simulations numériques nécessite une modélisation fidèle des mécanismes intervenant lors de l'impact tels que les modèles de comportement et de rupture des différents matériaux. Afin d'obtenir des modèles précis, il est important de mener des études de caractérisation prenant en compte l'histoire thermomécanique du matériau, pour des gammes de sollicitations rencontrées lors des essais balistiques (grandes déformations, vitesses de déformation élevées, température, etc.). De nombreuses études ont été menées sur les matériaux constituant les protections mais sont moins nombreuses sur les menaces et plus particulièrement sur les munitions à noyau ductile.Les travaux de thèse portent sur la caractérisation et la modélisation numérique de l'impact de munitions à noyau en alliage de plomb et chemise en acier de diamètres 9 mm et 7,62 mm. Des essais balistiques sur un composite laminé unidirectionnel à fibres polyéthylène à haute masse moléculaire (UHMWPE) en Dyneema® HB26 ont été réalisés. L'objectif est de développer un outil numérique capable de reproduire les phénomènes se produisant lors de l'impact et plus particulièrement l'interaction entre la munition à cœur mou et le matériau composite par rapport aux armures métalliques classiques.La première étape de cette étude a été de réaliser la caractérisation mécanique du noyau en alliage de plomb et de la chemise en acier dans des régimes quasi-statiques et dynamiques. Pour cela, des essais mécaniques spécialement dédiés ont été développés. Une adaptation de barres d'Hopkinson (SHPB) a été réalisée pour caractériser l'alliage de plomb à des vitesses de déformation élevées. Des essais quasi-statiques originaux ont été mis en place pour étudier le comportement et la rupture d'échantillons directement extraits de la chemise. Les données expérimentales obtenues ont été utilisées pour identifier différents modèles de comportement et de rupture pour chaque matériau. Pour le cas de la chemise en acier, une méthode inverse couplée à un algorithme d'optimisation a été utilisée pour identifier les paramètres du modèle. Les modèles ont été validés par comparaison entre les essais expérimentaux et les simulations numériques, pour des configurations variées d'impact direct sur barres des ensembles noyau-chemise constituant la munition. Enfin, une campagne balistique a été réalisée pour l'impact de munitions de 9 mm et de 7,62 mm sur des cibles composites Dyneema® HB26. Les résultats obtenus ont été comparés à des simulations numériques réalisées sous Abaqus® Explicit. Une attention particulière a été portée à la description précise des mécanismes d'endommagement au sein de la balle à savoir : le champignonnage de la munition de 9 mm et la fragmentation de la munition de 7,62 mm. Ce phénomène de fragmentation a été décrit numériquement par l'utilisation d'une modélisation par éléments finis avec conversion en éléments SPH (Smooth Particle Hydrodynamics).Finalement, une étude paramétrique a révélé la sensibilité de la vitesse résiduelle, de la déformation de la munition, ainsi que de la déflexion de la face arrière de la cible vis-à-vis des paramètres du modèle matériau et du maillage.