Crack nucleation in the presence of thermal and thermoporomechanical couplings
Nucléation de fissure en présence de couplages thermiques et thermoporomécaniques
Résumé
In this work, we address the problem of crack nucleation in materials when the loading is of thermal origin. First, thermoelastic coupling is presented, especially in the context of thermal shock analysis. The spectrum of the proposed analysis is then extended to the framework of thermo-poroelastic couplings. The approach presented is finally applied to the industrial problem of the potential nucleation of cracks induced by the release of heat from radioactive waste deposit. The main idea is to describe the crack nucleation through a balance between the state just before the nucleation and the state defined by the appearance of a stable nucleated crack. This strategy allows to avoid the modeling of a progressive damage leading to the formation of the crack. The criterion used for the crack nucleation is the energy criterion proposed by T. Carlioz which relates to the incremental energy released rate. From a thermodynamic point of view, the nucleation of a crack is approached within the context of a non-drained adiabatic evolution, consistent with the brutal aspect of this phenomenon. In accordance to this perspective, the internal energy appears to be the relevant quantity to establish a potential energy balance on which the calculation of the incremental energy released rate is based. Several illustrations of the proposed approach are presented throughout this thesis, in particular in the context of the analysis of a loading related to a thermal shock. The application to the heat release of radioactive waste deposit in the immediate environment of storage cells, in the presence of thermo-poroelastic couplings, proposes a critical analysis of the possible crack nucleation depending on whether one considers a nucleation criterion based on a tensile state defined in total stress or in effective stress.
Dans ce document, nous abordons la problématique de la nucléation de fissure dans les matériaux lorsque le chargement est d’origine thermique. Dans un premier temps, le couplage thermoélastique est présenté, notamment dans le cadre de l’analyse du choc thermique. On élargit ensuite le spectre de l’analyse proposée au cadre des couplages thermo-poroélastiques. La démarche présentée est enfin appliquée à la problématique industrielle de la nucléation potentielle de fissures induite par le dégagement de chaleur des colis de déchets radioactifs. L’idée principale consiste à traduire la nucléation à travers un bilan entre l’état juste avant la nucléation et l’état défini par la fissure nucléée stable. Cette stratégie permet de s’affranchir de la modélisation d’un endommagement progressif conduisant à la formation de la fissure stable. Le critère d’évaluation de la nucléation de fissure adopté est le critère énergétique proposé par T. Carlioz qui porte sur la grandeur énergétique du taux de restitution d’énergie incrémental. Sur le plan thermodynamique, la nucléation d’une fissure est abordée dans le cadre d’une évolution adiabatique non-drainée, cohérent avec le caractère brutal de ce phénomène. Dans cette logique, l’énergie interne apparaît comme la grandeur pertinente pour effectuer le bilan d’énergie potentielle sur lequel s’appuie le calcul du taux de restitution d’énergie incrémental. Plusieurs illustrations de la démarche proposée sont présentées tout au long de ce mémoire, en particulier dans la cadre de l’analyse d’un chargement lié à un choc thermique. L’application au dégagement de chaleur des colis de déchets radioactifs dans l’environnement immédiat des alvéoles de stockage propose une analyse critique de la potentielle nucléation de fissure selon que l’on considère un critère de nucléation s’appuyant, en présence de couplages thermo-poroélastiques, sur un état de traction dans la configuration initiale défini en contrainte totale ou en contrainte effective.
Origine : Version validée par le jury (STAR)