De la mise en forme aux comportements dynamiques >> Caractérisation et modélisation de la réponse transitoire de milieux continus et de structures, principalement sous sollicitations dynamiqueS

2° De la mise en forme au comportement dynamique

 

Les activités de cet axe sont liées à la caractérisation et la modélisation de la réponse transitoire de milieux continus et de structures, principalement sous sollicitations dynamiques. La gamme d’applications considérée est assez large, allant de la réponse instable de structures aux phénomènes d’impacts et d’ondes de choc. Le passage du matériau à la structure implique une étape de mise en forme, qu’il est indispensable de prendre en compte pour une prédiction correcte du comportement final ; cet axe s’intéresse donc également au procédé, comme finalité technologique.

Deux verrous scientifiques peuvent être mis en avant : le développement de modèles de comportement, physiquement fondés, pour décrire la réponse dynamique de milieux continus « complexes » (matériaux poreux, stratifiés ou endommagé ; fluides multiphasiques) et la mise en évidence expérimentale des comportements transitoires, avec le développement de dispositifs spécifiques instrumentés. Les développements théoriques sont intégrés dans un code développé en interne (comportement matériel d'hyper-visco-hystérésis, algorithmes d'avancement temporel).

  • Comportement dynamique des structures navales composites et métalliques sous chargements hydrodynamiques

Machine de choc hydraulique

Position des capteurs de pression sur une pyramide à base carrée et évolution temporelle de pression lors d'un essai de tossage avec une vitesse de 15 m.s-1

  • Contrôle non destructif par chocs lasers de systèmes thermodurcissables : Corrélation entre données issues de l’acoustique solide et propriétés mécaniques obtenues. Estimation de l’état initial non standard (contraintes internes, contraintes à rupture, gradient de propriétés mécaniques et chimiques).

Prédiction de la contrainte à rupture d’un matériau hétérogène. Prise en compte du comportement élasto-plastique, identification du seuil d’endommagement par choc laser.

  • Interaction of mechanical waves with their propagation medium: the survivability of the critical infrastructures and armored systems to ballistic and explosions effects, attenuation of the effects of explosions by diphasic barrier (bubble curtains), fluid structure coupling during a ballistic impact in a tank filled with liquid

  • Propagation des chocs dans les milieux complexes. Caractérisation numérique et analytique des ondes de souffle se propageant dans des milieux semi-confinés ou confinés. Comportement des mousses métalliques, utilisées comme matériau atténuateur, sous chargement dynamique. Caractérisation de l’atténuation d’une onde de choc plane par une mousse liquide humide, en faisant varier divers paramètres (nombre de Mach, taille de bulle, gaz…).

Influence de la taille de bulle moyenne sur l’atténuation d’une onde de choc par une mousse liquide humide : évolution temporelle de la pression à quatre positions – Nombre de Mach de l’onde incidente : 1,6- Tailles de bulles : 0,2 mm (SB) et 1,4 mm (LB).

  • Comportement dynamique des matériaux énergétiques sous sollicitations thermique ou mécaniques. Détermination du temps d’allumage d’un propergol par irradiation LASER. Développement d’un banc d’essais constitué d’une enceinte pressurisée sous atmosphère inerte et d’un laser infrarouge afin de mesurer le temps d’initiation d’un échantillon de propergol en fonction de la pression ambiante et de l’énergie de la source.

Dispositif de mesure du temps d’allumage de compositions pyrotechniques par irradiation LASER (a)Enceinte pressurisée (1 – 100 bar)
(b) Echantillon de propergol

  • Etude de l’interaction entre l’effet Portevin-Le Châtelier et l’effet Bauschinger pour des essais de cisaillement simple, monotones et avec inversion du chargement, entre 20 et 200°C. Caractérisations spatiotemporelle et thermique, via des mesures de champs par la technique de stéréo corrélation d’images et par caméra infrarouge, des bandes de cisaillement en traction et cisaillement simple.

Essai de cisaillement inverse sur l’alliage d’aluminium AA5754-O : (a) Dispositif de cisaillement simple sur une éprouvette découpée dans une tôle et revêtue d’un mouchetis aleatoire. (b) Comparaison de la réponse mécanique de l’alliage à différents seuils d’inversion du chargement et différentes températures montrant l’interaction entre l’effet PLC et l’effet Bauschinger. (c) Etude de l’apparition et de l’évolution spatiotemporelle des bandes de cisaillement par l’observation des champs de déformation, issus de la technique de corrélation d’images, pour un essai à 100 °C avec une inversion du chargement à γ=0.6.

 

  • Comportement mécanique (anisotropie, visco-élasto-plasticité) de matériaux de structures en interaction avec l’environnement marin, et de structures pour des systèmes de captation d’Energies Renouvelables : tissu de voile de navire, rigidité de filets de pêche constitués de mailles à base de tresses polymère nouées entre elles

Mailles de filet de pêche en tresses de fils polyéthylène

  • Développement de dispositifs expérimentaux afin de réaliser des essais dynamiques pour différents trajets de chargement, bulge-test ou punch test pour le bi-axial, pliage ou poinçonnement diédrique pour la contrainte plane. La difficulté réside dans la capacité à obtenir des résultats dénués d’oscillations permettant d’obtenir le comportement mécanique jusqu’à la rupture pour différentes vitesses de déformation. L’objectif numérique est de prendre en compte ces résultats expérimentaux dans un modèle de type Mohr-Coulomb modifié.

Exemple de projectile instrumenté à l’aide de jauges de déformation, permettant de calculer l’effort lors d’un impact. Différentes géométries d’embouts adaptables (gauche) Exemple d’utilisation du projectile (droite) : Comparaison du signal d’effort expérimental et calculé par simulation numérique jusqu’à la déchirure et ouverture des lèvres : tôle d’inox, température cryogénique, embout diédrique, projectile 2.5kg, vitesse 6.22m/s

Chambre cryogénique pour essais de compression d’un contre-plaqué aux barres de Hopkinson

  • Développement de modèles continus permettant de décrire le comportement de matériaux et fluides hétérogènes sous sollicitations dynamiques. Ils s’appuient sur l’utilisation de techniques d’homogénéisation dynamique, dont l’originalité est de tenir compte d’effets de micro-inertie (effets dynamiques ayant lieu à l’échelle de la microstructure du matériau) : modélisation de l’endommagement dynamique des matériaux ductiles, propagation d’ondes de choc dans les liquides aérés (liquides contenant des bulles gazeuses), propagation d’ondes de choc et d’ondes acoustiques dans les mousses métalliques.

Simulation numérique de la propagation de fissure dans une éprouvette axisymétrique entaillée sous sollicitation dynamique. Les zones où l’endommagement est maximal sont représentées en noir. Les résultats obtenus avec le modèle d’endommagement de Gurson, Tvergaard et Needleman (GTN) pour deux maillages différents sont comparés à ceux obtenus avec un nouveau modèle tenant compte des effets micro-inertiels. L’effet régularisant de la micro-inertie est observé.

  • Interactions fluide-structure en présence d’une surface libre liquide. Modélisation de chargements hydrodynamiques agissant sur un solide impactant la surface d’un liquide (problème d’entrée d’eau ou d’impact hydrodynamique) ou sortant de ce liquide (problème de sortie d’eau) : développement de modèles analytiques tridimensionnels d’impact hydrodynamique, étude expérimentale et simulation numérique d’impacts sur fluides aérés, étude de problèmes de sortie d’eau

Essai de sortie d’eau d’un disque circulaire (collaboration avec l’IFREMER). La forme de la colonne d’eau entrainée par le disque est visible sur cette image.

 

  • Modélisation et caractérisation du comportement des matériaux polymères avec prise en compte des effets de la température

Cet axe de recherche s’appuie sur un modèle de comportement original phénoménologique d’Hyperélasto-Visco-Hystérétique (HVH) dans le code de calcul Herezh++ qui nécessite le développement d’essais de caractérisation thermo-mécanique des polymères. Plusieurs matériaux sont étudiés : polypropylène choc chargé ou non avec des fibres naturelles d’Alfa, élastomères chargés avec la prise en compte des effets des basses températures, matériaux biosourcés et biodégradables type PolyHydroxyAlcanoates (PHAs) avec le développement d’essais multiaxiaux de traction-torsion en température, matériaux architecturés de type presse-garnitures pour des applications d’étanchéités dans la robinetterie, matériaux cellulaires sous forme de mousse pour des applications antivibratoires.

a) Schéma du montage pour la réalisation d’essais cycliques sur des joints GEM pour des presse-étoupes. b) Montage réalisé avec jauges de déformations pour la mesure de la déformation de la chemise. c) Comparaison expérimentale-numérique des contraintes dans le joint avec le modèle de comportement HVH.

  • Etude des modèles numériques en mécanique du solide déformable, en s’appuyant sur la méthode des éléments finis. Les modèles développés sont validés numériquement et confrontés à l'expérimentation, via un code de calcul Herezh++ développé en C++. Herezh++ a été choisi comme solveur pour le dimensionnement et la simulation du comportement des prochains ballons en particulier stratosphériques. Le logiciel est encapsulé dans l'outil métier OmHer développé par la société Rtime (partenariat CNES/Sous-direction Ballons)

Herezh++ : FEM software for large transformations in solids. Laboratoire d’ingénierie des matériaux de Bretagne (UEB-UBS), dépôt APP (Agence pour la Protection des Programmes) - Certification IDDN.FR.010.0106078.000.R.P.2006.035.20600.

Simulation du comportement d'alliages à mémoire de forme NiTi avec une loi de comportement d'élasto-hystérésis, développement de méthodes numériques relatives à la recherche de l'équilibre global (relaxation dynamique) et à un modèle de coque mince sans degré de rotation (élément SFE ou RF).

Simulation of geometrically graded NiTi strips loaded at 3% of nominal strain; (a): normal stress field, (b): normal strain field

Simulation of stratospheric balloons with Herezh++ (col. Cnes, Rtimes)

  • Procédés de mise en forme. Une démarche de mise en forme virtuelle nécessite encore une étape de validation expérimentale. Le développement de dispositifs spécifiques "simples" de mise en forme procure une base de données expérimentales pour valider la simulation numérique (code commercial Abaqus), tels que le pliage après éventuellement une prédéformation en traction et le vrillage de tôles métalliques ultra-fines. Avec en particulier le souci de miniaturisation, pour reproduire à l'échelle du laboratoire des phénomènes observés sur des pièces industrielles de grandes dimensions. Et l'extension de la démarche virtuelle aux traitements thermiques après mise en forme, dans le cas de manilles forgées, nécessite de prendre en compte l'évolution des changements de phase dans un acier micro-allié.

Isovaleurs de déformation principale maximale au cours d’un essai d’emboutissage d’un godet cylindrique, expérience (gauche) et simulation numérique (droite).

  • Comportement des matériaux métalliques lors de leur mise en forme en température

Cet axe de recherche porte à la fois sur la caractérisation expérimentale en température des alliages métalliques (aluminiums, aciers trempants, aciers inox) mais également sur la recherche de lois de comportement et de modèles éléments finis capables de simuler ces matériaux lors de leur mise en forme à haute température.

Du point de vue expérimental, les essais de caractérisation mécaniques (traction, cisaillement, expansion équibiaxiale, etc) classiquement réalisés à température ambiante sont modifiés pour être réalisés à des températures mi-chaudes de l’ordre de 300°C pour les aluminiums, et à des températures plus hautes, de l’ordre de 1000°C pour les aciers trempants et inox. Concernant la modélisation, le développement de modèles de comportement thermo-mécanique permet d’améliorer la prédiction de la simulation de la mise en forme à haute température et également la prise en compte du retour élastique.

Dans le cadre d’un projet de développement d’un nouveau procédé multi-step d’emboutissage à chaud des aciers trempants, des technologies innovantes de chauffage rapide des flans en utilisant le principe de l’effet Joule sont également développées qui nécessitent la prise en compte des couplages électro-thermo-mécaniques dans les modélisations.

a)

 

a) Schéma de principe d’un essai d’expansion équibiaxiale avec procédé de chauffage par conduction électrique b) Montage réalisé c) Champ de température modélisé à l’aide de Comsol Multiphysics®.