Contribution à la modélisation de l’endommagement sous sollicitations dynamiques de céramiques

Contribution to the modeling of damage under dynamic loading in ceramics

• Auteur / Autrice : Luc Bremaud
• Direction : Ivan Iordanoff, Pascal Forquin, Jérémie Girardot, Frédéric Malaise
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (2011-....) - Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (Paris ; 1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Guin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Iordanoff, Pascal Forquin, Jérémie Girardot, Frédéric Malaise, Jean-Pierre Guin, Patrice Longère, Christophe Martin, Damien André
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Longère, Christophe Martin
• DOI : 10.70675/f28a877dzdaddz4334za097z9dd89e1a3acd

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation prédictive

Rupture

Dissertation universitaire

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Mécanique

Endommagement dynamique

Céramique

Sciences de l'Ingénieur

Choc laser

Méthode des Elements Discrets

Mechanics

Dynamic damage

Ceramics

Engineering

Laser shock

Discrete Element Method

Résumé

Les céramiques jouent un rôle crucial dans l'industrie et le secteur militaire en raison de leurs propriétés thermomécaniques uniques. Cependant, leur comportement sous des chargements dynamiques est complexe, avec une résistance en traction significativement plus faible qu'en compression, entraînant fissuration, endommagement et multi-fragmentation. La course à la technologie demande des développements continus des propriétés de blindage des céramiques. Le coût élevé et la complexité technique des expériences dynamiques ont fait émerger des programmes de simulation cherchant à reproduire de façon numérique le comportement à rupture dynamique de ces matériaux.Cette thèse a exploré l'application de la méthode des éléments discrets (DEM) pour améliorer la reproduction des phénomènes dynamiques dans les céramiques fragiles, en mettant l'accent sur la représentation de la fissuration et de l'évolution de la contrainte à rupture avec la vitesse de déformation. L'alumine a été choisie comme matériau d'étude, au regard des nombreuses données expérimentales présentes dans la littérature.Le troisième chapitre a traité de la représentation du matériau en régime élastique, tandis que le quatrième chapitre a examiné l'intégration de différents modèles d'endommagement dans l'approche discrète. Des comparaisons entre les profils de vitesses en face arrière expérimentaux et numériques de tirs GEPI ont montré que l'emploi des lois de Denoual-Forquin-Hild (DFH) et de Kachanov offrait une bonne corrélation avec les données expérimentales.Le cinquième chapitre présente d'autres types d'essais expérimentaux de fragmentation dynamique sur l'alumine AL23 : des essais Rockspall et d'impact sur tranche (issus de la littérature) et des expériences de choc laser. Des simulations numériques DEM, avec la loi d'endommagement identifiée précédemment comme celle qui permet de mieux reproduire les essais d'écaillage des tirs GEPI, sont conduites pour représenter les mécanismes d'endommagement, la fragmentation simple et multiple des cibles d'alumine AL23 soumises à des sollicitations extrêmes.Enfin, pour obtenir des données expérimentales d'essais dynamiques sur une nouvelle céramique au comportement plus complexe, une campagne expérimentale est menée sur la zircone yttriée projetée plasma. Des essais d'impact sur tranche et Rockspall sont menés, pour étudier la fragmentation simple et la multi-fragmentation de cette céramique à la microstructure complexe. Elle permet d'obtenir des données expérimentales qui serviront à de travaux futurs de modélisation.En résumé, cette thèse contribue à l'amélioration de la reproduction du comportement des céramiques fragiles soumises à des sollicitations dynamiques comme des impacts ou des chocs. Elle met en évidence le potentiel de la méthode DEM pour représenter les phénomènes de multi-fragmentation et identifie des modèles d'endommagement pertinents pour la simulation des effets dynamiques observés expérimentalement. Ces résultats ont des implications significatives pour la représentation du comportement à rupture en régime dynamique de matériaux de blindage plus performants dans diverses applications industrielles et militaires.

Ceramics play a crucial role in both the industrial and military sectors due to their unique thermomechanical properties. However, their behavior under dynamic loading is complex, with significantly lower tensile strength compared to compression, leading to cracking, damage, and multi-fragmentation. The pursuit of advanced technology necessitates continuous development of the ballistic properties of ceramics. The high cost and technical complexity of dynamic experiments have given rise to simulation programs that seek to digitally replicate the dynamic fracture behavior of these materials.This thesis explored the application of the Discrete Element Method (DEM) to enhance the reproduction of dynamic phenomena in brittle ceramics, with a focus on representing cracking and the evolution of stress at fracture with strain rate. Alumina was chosen as the study material due to the abundance of experimental data available in the literature.The third chapter dealt with the representation of the material in the elastic regime, while the fourth chapter examined the incorporation of different damage models within the discrete approach. Comparisons between experimental and numerical rear face velocity profiles from Gas Gun Projectile Impact (GEPI) tests showed that the use of the Denoual-Forquin-Hild (DFH) and Kachanov laws provided good correlation with experimental data.The fifth chapter presents various types of experimental dynamic fragmentation tests on AL23 alumina: Rockspall tests, edge-on impact tests (from the literature), and laser shock experiments. DEM numerical simulations, using the previously identified damage law as the one that best reproduces GEPI spall tests, were conducted to represent the damage mechanisms, simple and multiple fragmentation of AL23 alumina targets subjected to extreme loading conditions.Finally, to obtain experimental data on dynamic tests of a new ceramic with a more complex behavior, an experimental campaign was conducted on plasma-sprayed yttria-stabilized zirconia. Impact-on-edge and Rockspall tests were carried out to study simple and multi-fragmentation of this ceramic with a complex microstructure. This provided experimental data that will be used in future modeling efforts.In summary, this thesis contributes to improving the replication of the behavior of brittle ceramics subjected to dynamic loading such as impacts or shocks. It highlights the potential of the DEM method to represent multi-fragmentation phenomena and identifies relevant damage models for simulating dynamically observed effects. These results have significant implications for representing the dynamic fracture behavior of high-performance armor materials in various industrial and military applications.