Contribution à la compréhension et à la prédiction des mécanismes de fragmentation d'enceintes métalliques.
La fragmentation naturelle d une enveloppe métallique soumise à la détonation d un chargement explosif interne est un processus thermomécanique fortement dynamique basé sur plusieurs phénoménologies complexes dont la compréhension, la caractérisation et la modélisation constituent un enjeu important...
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| Autor principal: | |
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| Altres autors: | , , , , , , , |
| Format: | Thèse numérique |
| Idioma: | Français |
| Publicat: |
2024.
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| Matèries: | |
| Accés en línia: | Accès au texte intégral http://www.theses.fr/2024ISAB0005/abes |
| Nota: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Patricia Verleysen (Président du jury) ; Patrice Bailly, Hervé Couque, Patricia Verleysen, Pascal Forquin, Daniel Rittel, Teresa Fras, Jacques Petit, Jérôme Limido (Membre(s) du jury) ; Pascal Forquin, Daniel Rittel (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Contribution to the understanding and the prediction of fracture mechanisms of metallic structures. |
| Sumari: | La fragmentation naturelle d une enveloppe métallique soumise à la détonation d un chargement explosif interne est un processus thermomécanique fortement dynamique basé sur plusieurs phénoménologies complexes dont la compréhension, la caractérisation et la modélisation constituent un enjeu important fixant le cadre de ces travaux de thèse.Les approches théoriques développées depuis le second conflit mondial font encore aujourd hui référence et reposent sur des hypothèses bidimensionnelles de type expansion d anneaux et sur des caractéristiques mécaniques trop simplificatrices pour autoriser de véritables calculs prédictifs.Dans ce contexte, ces travaux ont consisté à élaborer un modèle de fragmentation d un acier s appuyant sur des paramètres physiques pertinents et faisant usage d une méthode numérique particulaire apte à reproduire les phénoménologies propres à la fragmentation d un corps de charge.Pour ce faire, une démarche originale combinant volets expérimentaux, théoriques et numériques a été mise en place. Initialement, la réponse élastoplastique de l acier a été caractérisée afin d obtenir les paramètres d une loi de comportement de Johnson-Cook modifiée apte à reproduire le régime visqueux. Les deux modes de ruine typiques de la fragmentation, à savoir le mode I de rupture en tension et le mode II d endommagement par bandes de cisaillement adiabatiques (BCA), ont ensuite été investigués par le biais d approches expérimentales spécifiques : des essais de traction uniaxiale sur éprouvettes entaillées pour le premier et des essais d impact sur éprouvette chapeau pour le second.Ces essais de ruine ont permis d alimenter des modèles de rupture préalablement choisis sur la base d un nombre réduit de paramètres physiquement pertinents. La rupture ductile de mode I est traitée par le modèle de rupture de Johnson-Cook, tandis que les conditions d émergence et de propagation des BCA sont définies par le modèle d endommagement de Dolinski, Merzer & Rittel. Afin de localiser les déformations, des défauts volumiques sont introduits par une distribution stochastique de la limite d écoulement du matériau, ainsi que des défauts surfaciques qui sont induits par variation de l'épaisseur, générant ainsi des ondulations de surface.Les lois de comportement des matériaux ainsi alimentées ont alors été implantées dans un modèle utilisateur intégré dans le logiciel ABSTRAO, faisant usage d une méthode sans maillage particulaire innovante dite Gamma-SPH . Conservative en masse, compatible des très grandes déformations et se prêtant aisément à la parallélisation massive des calculs, elle se différencie en outre des approches particulaires classiques par sa grande stabilité en tension.Au sein de cet environnement logiciel, l architecture du modèle de fragmentation s articule autour de trois étapes. Tout d abord, les mécanismes de localisation précédemment évoqués génèrent des effets de striction dans l épaisseur autour desquels va s articuler la gestion synchrone des deux modèles de ruine. Ensuite, dès que l endommagement total du matériau est atteint, la rupture est représentée par l annulation du déviateur des contraintes, la pression devenant positive ou nulle. Finalement, une boite à outils développée spécifiquement permet de générer la matrice d éclats numérique pour comparaison aux résultats expérimentaux.Afin de confronter ce modèle de fragmentation au réel, des essais détoniques de récupération en cuve et de caractérisation de mise en vitesse ont été conduits sur des maquettes cylindriques de l acier étudié chargées en explosif. Les comparaisons calculs/expériences se sont révélées satisfaisantes, montrant la pertinence du modèle développé. En complément, des réflexions ont été menées pour intégrer la contribution thermique de l équation d état au calcul de la température, cette contribution n étant pas négligeable au vu des premières analyses.Mots clés : fragmentation, méthode particulaire, BCA. The natural fragmentation of a metallic envelope submitted to the detonation of an internal explosive loading is a highly dynamic thermomechanical process involving various complex phenomena. The comprehension, the characterization and the modelling of such mechanisms are critical issues which constitute the scope of this thesis work.Theoretical models developed since the second world war are still references and rely on ring expansion two-dimensional approaches which turn out to be too simplistic to be predictive.In such a context, this PHD work allowed to elaborate a numerical predictive fragmentation model, this model relying upon relevant physical parameters and making use of a particle numerical method able to reproduce fragmentation phenomenology.In that perspective, a comprehensive approach combining experimental, theoretical and numerical analyzes has been conducted. As a first step, the elastoplastic response of the 36NiCrMo16 steel in annealed state has been dynamically characterized so as to fit an updated Johnson-Cook constitutive model able to reproduce the viscous regime. The two typical casing breakup modes, e.g. the tensile mode I fracture and the mode II adiabatic shear bands (ASB)-induced failure mechanisms, have been investigated through specific experimental approaches: the former by means of uniaxial tensile tests on notched samples and the latter thanks to dynamic hat tests.These peculiar experiments then allowed us to set fracture models selected on the grounds of a limited number of physical parameters. The mode I ductile fracture is treated with the Johnson-Cook breakup model whereas ASB emergence and propagation conditions are matched with the Dolinski, Merzer & Rittel physical failure model. Strains localization is ensured, on the one hand, by a stochastic distribution of the material yield stress and, on the other hand, by sinusoidal variations (1%) of the envelope thickness.These material constitutive equations have then been implemented in an user model fitted in the ABSTRAO dynamic software making use of an innovative meshless particle method entitled Gamma-SPH . Being mass-conservative, compatible with very high strains and well-suited to massively parallel processing, it differs from typicall particle approaches by its great stability in tension.Within this software environment, the fragmentation model architecture is articulated around three main axes. First, localization of stresses and strains, by means of hereabove surface and volume related mechanisms, gives birth to necking effects around which the synchronous management of both selected fracture models is conducted. As soon as one of these two modes leads to the material full damage, the breakup is modelled through the cancellation of the stress deviator, the pressure becoming either positive or null. The fragments matrix is then generated by a tailor-made toolbox implemented into ABSTRAO post-processing part, allowing for a direct comparison with experimental results.In order to check the validity of this fracture model, recovery trials in a water-tank device and X-Ray based velocity characterization tests have been performed on cylinder-shape charges which envelope is made of the studied steel and loaded with composition B explosive. Comparisons between numerical and experimental results are quite satisfying, highlighting the relevance of the proposed model. Complementary investigations have been carried out to include the equation of state contribution in the assessment of temperature, first analyzes showing that this contribution is far from being neglectable.Keywords: fragmentation, Gamma-SPH particle method, localization, adiabatic shear bands. |
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| Descripció de l’ítem: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Patricia Verleysen (Président du jury) ; Patrice Bailly, Hervé Couque, Patricia Verleysen, Pascal Forquin, Daniel Rittel, Teresa Fras, Jacques Petit, Jérôme Limido (Membre(s) du jury) ; Pascal Forquin, Daniel Rittel (Rapporteur(s)) |
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