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Theses Year : 2000

Numerical Modelling in Fracture Mechanics and Multimaterials Structures

Contribution à la Modélisation Numérique en Mécanique de la Rupture et Structures Multimatériaux

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Abstract

In today's industrial environment, numerical modelling is being increasingly used in order to optimise industrial processes and reduce manufacturing costs. These objectives can be achieved only if we can get an in-depth understanding of material behaviour during mechanical loading cycles. FORGE2. Multimaterials software has been developed within this framework to model large deformation of elastic-plastic or elastic-viscoplastic materials. In this thesis, we present the numerical tools that have been developed to model multiple fields and multiple materials, with a special attention to meshing and automatic remeshing techniques. We also introduce the numerical tools implemented to model crack propagation in a mesh. In order to do so, we introduce classical fracture mechanics parameters, and different techniques to compute them for a static crack. The Gθ method is implemented to compute the strain energy release rate with accuracy. We then study different criteria to model the stages of crack initiation and crack propagation. Three crack propagation criteria are compared : the maximum circumferential stress criterion, the minimum strain energy density criterion, the maximum strain energy release rate criterion. Special attention has been paid to the mesh topology at the crack tip and numerous examples are presented to show the robustness and the accuracy of our technique. Finally, we apply our different developments to the study of strain and fracture mechanisms of zircaloy 4 tubes under compaction. An experimental study is also performed to validate our numerical results and to study the influence of oxidation on the mechanical properties of zircaloy 4 tubes.
Dans le contexte industriel actuel, la modélisation numérique apparaît comme un outil nécessaire, entraînant des gains de temps et d'argent importants. Le logiciel FORGE2 Multimatériaux a été développé dans ce cadre, afin de modéliser des matériaux élastoplastiques ou élasto-viscoplastiquse en grandes déformations. Nous présentons dans ce mémoire les développements qui ont été réalisés pour permettre de prendre en compte et de gérer plusieurs sous-domaines et plusieurs matériaux, en insistant sur les difficultés liées à la gestion des contours et du remaillage. Nous présentons également les outils numériques introduits pour modéliser la propagation quasi-statique de fissures dans le maillage. Pour cela, nous introduisons les paramètres caractéristiques classiques en mécanique de la rupture, et nous les étudions pour une fissure statique. La méthode G, permettant de calculer avec précision le taux de restitution d'énergie, est développée et comparée à d'autres méthodes. Nous abordons ensuite l'amorçage et la propagation quasi-statique de fissures en présentant et en comparant trois critères de propagation: le critère de la contrainte normale maximale, le critère de la densité d'énergie de déformation minimale et le critère du taux de restitution d'énergie maximal. Une attention particulière est portée aux problèmes de remaillage et de structure du maillage en pointe de fissure. La caractéristique multimatériaux du code permet également d'étudier la propagation de fissures dans des matériaux composites. Les exemples d'application proposés montrent la robustesse des développements effectués et offrent de nombreuses perspectives intéressantes. Enfin nous utilisons les différents outils présentés pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture lors du compactage de tubes en zircaloy 4. Une étude expérimentale est menée en parallèle afin de valider les résultats numériques, et d'étudier l'influence de l'oxydation sur les propriétés mécaniques du zircaloy 4.
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Dates and versions

tel-00480372 , version 1 (04-05-2010)

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  • HAL Id : tel-00480372 , version 1

Cite

Pierre-Olivier Bouchard. Contribution à la Modélisation Numérique en Mécanique de la Rupture et Structures Multimatériaux. Mécanique [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00480372⟩
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