Propagation de fissures dans des milieux élastiques avec énergie de surface anisotrope : expériences, simulations de champ de phase et mécanique de la rupture élastique linéaire

Crack propagation in elastic media with anisotropic fracture toughness : experiments and numerical modeling

• Auteur / Autrice : Xinyuan Zhai
• Direction : Veronique Lazarus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1741 -....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Szmytka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Veronique Lazarus, Corrado Maurini, Benoît Roman, Jérémy Bleyer, Stella Brach
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Corrado Maurini, Benoît Roman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Mots clés libres

Fabrication additive

Rupture

Champ de phase

Energies surface anisotropie

Additive manufacturing

Fracture

Phase field modeling of brittle fracture

Anisotropic surface energy

Résumé

La fabrication additive attire une attention croissante en raison de ses avantages en termes de flexibilité de modélisation et de facilité de conception de microstructures complexes. Nous avons constaté qu'en manipulant la stratégie d'impression, les échantillons imprimés par dépôt de fusion de polycarbonate peuvent présenter un comportement fortement anisotrope en termes de résistance à la rupture, tout en conservant des propriétés isotropes en termes d'élasticité.Le focus de cette thèse est d'explorer le comportement en matière de rupture dans des milieux élastiques isotropes présentant une ténacité de rupture anisotrope, en utilisant une combinaison d'investigations expérimentales et de simulations numériques. Dans la partie expérimentale, nous examinons la propagation des fissures dans diverses conditions de chargement en utilisant des géométries d'échantillons variées, englobant à la fois le Mode I et le Mode I+II. Dans la partie numérique, nous adoptons la modélisation de la fissuration fragile par champ de phase basée sur l'approche variationnelle, en utilisant des données expérimentales pour l'étalonnage et l'identification des paramètres numériques. À travers ces méthodologies complètes, notre objectif est de favoriser une compréhension plus profonde de l'interaction entre les motifs d'impression et la sélection des trajectoires de fissures. Cette compréhension a des implications significatives pour guider et gérer la propagation des fissures dans les composants fabriqués par fabrication additive. De plus, nous adoptons les critères classiques basés sur le taux de restitution d'énergie maximale généralisé pour améliorer notre compréhension de la sélection des trajectoires de fissures et de la force critique correspondante.Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons quelques investigations préliminaires concernant l'éventuelle émergence d'un motif de fissure en Zig-Zag dans des spécimens imprimés en 3D. De plus, nous plongeons en profondeur dans le comportement de rupture des spécimens imprimés sous chargement cyclique, offrant une comparaison exhaustive entre les observations expérimentales et les prévisions numériques.

Additive manufacturing is receiving increasing attention due to its advantages in terms of modelling flexibility and allowing to easily design complex micro-structures. Through the manipulation of the printing strategy, we observed that fused deposition of polycarbonate can result in printed samples showcasing a distinct anisotropic behavior in fracture toughness, all the while retaining isotropic properties in elasticity.This thesis is dedicated to investigating fracture behavior within isotropic elastic media with anisotropic fracture toughness. The approach involves a combination of fracture experiments and numerical simulations. In the experimental part, we examine crack propagation under various loading conditions using diverse sample geometries, encompassing both Mode I and Mode I+II loading condition. In the numerical part, we adopt the phase-field modeling of brittle fracture based on a variational approach, using experimental data for calibrating and identification of the numerical parameters. Through these comprehensive methodologies, our objective is to foster a deeper comprehension of the interplay between printing patterns and the selection of crack paths. This understanding holds significant implications for guiding and controlling crack propagation in additive manufacturing-produced components. Besides, we adopted the classical based criteria Generalized Maximum Energy Release Rate to enhance our understanding of crack path selection and the relevant critical force.In the last part of this thesis, we presents some preliminary investigations regarding the potential emergence of Zig-Zag crack patterns in 3D printed specimens. Additionally, we delve extensively into the fracture behavior of printed specimens under cyclic loading, offering a comprehensive comparison between experimental observations and numerical forecasts.