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Simulation numérique, à l'aide d'algorithmes thermomécaniques implicites, de matériaux endommageables pouvant subir de grandes vitesses de déformation. Application aux structures aéronautiques soumises à impact.

by Jeunechamps, Pierre-Paul

Abstract (Summary)
La thèse de Monsieur Jeunechamps est intitulée "Simulation numérique, à l'aide d'algorithmes thermomécaniques implicites, de matériaux endommageables pouvant subir de grandes vitesses de déformation. Application aux structures aéronautiques soumises à impact". Elle comporte neuf chapitres et deux annexes. La bibliographie compte 285 références. Les développements informatiques ont été implémentés dans le code de calcul par éléments finis Metafor, développé au sein du département LTAS-MC&T et MN²L de l'Université de Liège. Le travail est divisé en trois parties principales. La première partie (chapitres 2 à 4) concerne la description et la modélisation thermomécanique des phénomènes à dynamique rapide sans dégradation irréversible des propriétés du matériau utilisé. La deuxième partie (chapitres 5 à 7) est consacrée à l'étude du comportement des matériaux dits endommageables éventuellement soumis à rupture, c'est-à-dire des matériaux dont les propriétés se dégradent de façon irréversible au cours de la déformation. La troisième partie (chapitre 8) est une application à l'échelle industrielle des méthodes proposées tout au long de cet ouvrage. Le chapitre 2 propose un inventaire des lois constitutives des matériaux, permettant de décrire le comportement de la structure lors de sollicitations rapides. L'accent est mis sur les principales lois d'évolution de la limite élastique implémentées dans les codes de calcul commerciaux, ainsi que sur les variantes de ces lois d'évolution. L'aspect numérique de l'intégration thermomécanique de ces lois est également abordé. Le deuxième aspect abordé dans cette première partie concerne les algorithmes d'intégration temporelle des équations de conservation de la quantité de mouvement. Le chapitre 3 décrit les algorithmes d'intégration utilisés dans ce travail, en mettant l'accent sur l'aspect dynamique et le couplage thermomécanique des phénomènes à dynamique rapide. Le chapitre 4 présente quelques applications illustrant les méthodes de calcul utilisées et permettant la validation de l'implémentation des modèles programmés dans Metafor. Les comparaisons sont effectuées dans la mesure du possible par rapport à des données expérimentales quand celles-ci sont disponibles et également par rapport à des résultats issus de codes de calcul commerciaux. Le chapitre 5 présente une modélisation de la dégradation du matériau au cours de la déformation. En effet, le matériau, sous l'effet des sollicitations et des efforts résultants, perd de ses propriétés de résistance à l'effort, et ce, de manière irréversible. Il est alors endommagé. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser la théorie de l'endommagement continu pour décrire ces phénomènes. Le chapitre 5 rappelle les fondements de cette théorie ainsi que les principales lois d'endommagement continu. Une méthode générale et originale d'intégration de ces modèles d'endommagement est également proposée. Une fois que la structure est soumise à de trop fortes sollicitations, la rupture consécutive à l'endommagement du matériau apparaît. Le chapitre 6 décrit la méthode numérique développée pour modéliser le déchirement d'une structure ainsi que les différents critères de rupture utilisés. Encore une fois, nous nous limitons à une approche phénoménologique et pragmatique : il ne s'agit pas ici d'implémenter des critères complexes multi-échelles. Cependant, la structure du code de calcul est conçue pour permettre aisément de telles extensions. Le chapitre 7 présente une série d'applications permettant de valider l'implémentation des lois d'endommagement et de rupture ainsi que la formulation proposée de la théorie d'endommagement. Nous étudierons également le coût CPU engendré par la modélisation de l'endommagement et de la rupture du matériau. Enfin, le chapitre 8 présente une application industrielle proposée par la société Techspace Aero S.A. Il s'agit de l'étude du flambement d'une aube de compresseur basse pression d'un moteur d'avion lors du contact accidentel de celle-ci avec le carter du moteur. Tous les développements présentés dans les chapitres précédents sont alors utilisés pour simuler au mieux le phénomène. Les apports principaux du travail sont les suivants : utilisation d'algorithmes thermomécaniques de type étagé, dont l'intégration temporelle des équations de conservation du mouvement prend en compte les effets d'inertie ; amélioration de la technique d'intégration des lois constitutives avec endommagement, utilisant la théorie de l'endommagement continu, par l'utilisation d'un algorithme itératif ; méthode unifiée de calcul de la matrice de raideur tangente matérielle analytique pour un matériau hypoélastique avec endommagement, selon la théorie de l'endommagement continu, dans le cadre thermomécanique ; couplage thermomécanique général des modèles d'endommagement et des lois constitutives à grandes vitesses de déformation ; utilisation d'algorithmes implicites thermomécaniques dans la modélisation de la déchirure de structure par la méthode d'érosion ; établissement d'une plate-forme numérique d'accueil permettant l'implémentation future de lois matérielles, avec ou sans endommagement, ainsi que de techniques de modélisation de propagation de fissure ; processus complet de description d'un phénomène d'impact, par la modélisation du comportement thermomécanique du matériau par des lois de comportement avec endommagement adaptées au phénomène étudié et l'utilisation d'algorithmes implicites couplés à une méthode de déchirure de la structure.
Bibliographical Information:

Advisor:HABRAKEN, Anne-Marie; BECHET, Eric; PONTHOT, Jean-Philippe; HOGGE, Michel; VERHELST, D; PARDOEN, T; GEERS, M; STAINIER, Laurent; BOUVIER, S

School:Université de Liège

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:fracture rupture numerical simulation numerique finite element method methode des elements finis thermomechanics thermomecanique implicit algorithms algorithmes implicites high strain rates grandes vitesses de deformation damage endommagement

ISBN:

Date of Publication:10/10/2008

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