Modélisation par champ de phase de l'endommagement et de la rupture de structures minces

Phase-field modeling of damage and fracture of thin structures

• Auteur / Autrice : Thanh Hai Tuan Tran
• Direction : Hakim Naceur
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'informatique Industrielles et Humaines
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Titeux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hakim Naceur, Delphine Brancherie, Mohamed Guessasma, Djimédo Kondo, Franck Lauro, Jamila Rahmoun
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Delphine Brancherie, Mohamed Guessasma

Mots clés

Mots clés libres

Champ de phase

Endommagement

Rupture

Structures minces

Algorithme alterné

Phase-field

Damage

Fracture

Thin structures

Alternate algorithm

Résumé

Cette thèse porte sur la modélisation numérique de l'endommagement et de la rupture de structures minces à l'aide de la méthode champ de phase (CP). L'analyse de la littérature a montré que la méthode CP est puissante et peut gérer automatiquement à la fois l'initiation et la propagation de fissures sans avoir besoin de mailler le front de fissures. De plus, comme elle fait partie de la famille des méthodes non locales, la technique CP ne souffre pas de problèmes de localisation. La méthode CP a été largement utilisée pour la modélisation des milieux continus solides, cependant pas ou très peu de travaux ont été effectués pour son extension aux structures minces telles que les plaques et coques. Dans ces travaux, la méthode CP a été formulée et étendue à la modélisation d’endommagement et de rupture de structures minces de type coque. Un schéma incrémental a été développé pour résoudre le problème non linéaire en statique implicite, grâce à un algorithme itératif alterné. La condition d’irréversibilité d’endommagement a été forcée par la technique de pénalité. Un élément de coque à 4 nœuds avec effets de cisaillement a été développé et l’endommagement est approché par approximation nodale afin d’assurer la continuité à travers toute la structure. La procédure développée a été appliquée avec succès pour la résolution de quelques applications académiques de mécanique de la rupture, démontrant ainsi son potentiel.

This thesis deals with the numerical modeling of damage and fracture for thin structures using the phase-field (PF) method. The literature review has shown that the PF method is powerful and can handle automatically both initiation and propagation of fracture without the need to mesh the fracture pattern. Furthermore, it belongs to the family of nonlocal methods and hence it does not suffer from localization problems. The PF method has been developed and used extensively for the modeling of continuum media, however almost no work has been done for thin structures such as plates and shells. In this investigation, the PF method has been formulated and extended for the modeling of damage and brittle fracture of shell structures. An incremental procedure for solving the implicit static nonlinear problem has been developed through an alternate algorithm. The condition of damage irreversibility was imposed using the penalty technique. A 4-node shell element including shear effects was used and damage was approximated at the four nodes to ensure continuity through the whole structure. The resulting procedure was applied successfully to solve some academic fracture benchmarks, thereby demonstrating its potential.