Multi-scale modeling of thermo-mechanical dynamic damage in quasi-brittle materials - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Multi-scale modeling of thermo-mechanical dynamic damage in quasi-brittle materials

Modélisation multi-échelle de l’endommagement dynamique thermomécanique des matériaux quasi-fragiles

Abstract

Under impact mechanical loadings, structural components made of brittle materials may be exposed to dynamic failure. The appropriate modeling of the failure mechanisms at different scales of observation and the prediction of the corresponding thermomechanical damage evolution in such materials is essential for structural reliability predictions. Experimental observations on dynamic failure in brittle materials report important cooling and heating effects in the vicinity of the crack tip. Theoretical modeling of the thermo-mechanical coupling during fracture have been generally undertaken without accounting for microstructural aspects. The objective of the present thesis is to develop a procedure to obtain macroscopic thermo-mechanical damage laws in which the damage evolution is deduced from the propagation of microcracks and the associated small-scale thermal effects in the material. We use the asymptotic homogenization method to obtain the macroscopic thermo-mechanical and damage response of the solid. A Griffith type criterion is assumed for microcracks propagating in modes I or II. Heat sources at the tips of microcracks are considered as a consequence of the energy dissipated during propagation. Frictional heating effects are also considered on the lips of microcracks evolving in the shear mode. An energy approach is developed in combination with the homogenization procedure to obtain macroscopic damage laws. The resulting thermoelastic and damage system involves strong couplings between mechanical and thermal fields. Computation of the effective coefficients allowed us to study the local response predicted by the new models. The macroscopic response exhibits strain-rate sensitivity, microstructural size effects, degradation of thermoelastic properties and specific thermal evolutions due to microcracking and frictional effects at the small scale. Distributed heat sources are present in the macroscopic temperature equation linked to damage and frictional dissipations. The implementation of the proposed damage models in a FEM software allowed us to perform numerical simulations at the structural level. We reproduced numerically experimental tests reported in the literature concerning the rapid failure of PMMA samples impact. The results obtained in the simulations are in good agreement with the experimental observations.
Sous l’effet des impacts mécaniques, les structures constituées de matériaux fragiles peuvent être exposés à la rupture dynamique. La modélisation appropriée des mécanismes de rupture à différentes échelles d’observation et la prédiction de l’endommagement thermomécanique dans ces matériaux sont essentielles pour la conception de structures fiables. Des observations expérimentales sur la rupture dynamique des matériaux fragiles montrent des effets de refroidissement et d’échauffement importants à proximité d’une pointe de fissure. La modélisation du couplage thermomécanique lors de la rupture fragile a été entreprise, en général, sans tenir compte des aspects microstructuraux. L’objectif de cette thèse est de développer une procédure pour obtenir des lois d’endommagement thermomécaniques dans lesquelles l’évolution de l’endommagement est déduite à partir de la propagation des microfissures et des effets thermiques associés à l’échelle petite du matériau. Nous utilisons la méthode d’homogénéisation asymptotique pour obtenir la réponse macroscopique thermomécanique et d’endommagement du solide. Pour la propagation des microfissures, en mode I ou II, un critère de type Griffith est adopté. Des sources de chaleur sont considérés aux pointes des microfissures en mouvement, en lien avec l’énergie dissipée pendant la propagation. Nous considérons aussi des sources de chaleur représentant la dissipation par frottement sur les lèvres des microfissures qui se propagent en mode de cisaillement. Grâce à une analyse énergétique combinée avec la méthode d’homogénéisation nous obtenons des lois d’endommagement macroscopiques. Dans le système thermoélastique et d’endommagement ainsi obtenu, on identifie de forts couplages entre les champs mécaniques et thermiques. Le calcul des coefficients effectifs nous a permis d’étudier la réponse locale prédite par les nouveaux modèles. Cette réponse montre des effets de vitesse de déformation, de taille de la microstructure, de dégradation des propriétés thermoélastiques et des évolutions thermiques spécifiques engendrées par la microfissuration et le frottement à l’échelle petite du matériau. Dans l’équation macroscopique de la température, on retrouve des termes sources de chaleur distribuées en lien avec les dissipations d’endommagement et de frottement. L’implémentation de modèles d’endommagement dans un logiciel d’éléments finis nous a permis d’effectuer des simulations numériques à l’échelle des structures. Nous avons reproduit numériquement certains tests expérimentaux publiés dans la littérature concernant la rupture rapide d’échantillons de PMMA sous sollicitation d’impact. Les résultats des simulations obtenus sont en bon accord avec les observations expérimentales.
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Dates and versions

tel-02940741 , version 1 (16-09-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02940741 , version 1

Cite

Kokouvi Gbetchi. Multi-scale modeling of thermo-mechanical dynamic damage in quasi-brittle materials. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0049⟩. ⟨tel-02940741⟩
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