Bouchard, Pierre-Olivier (2000) Numerical Modelling in Fracture Mechanics and Multimaterials Structures. PhD thesis Sciences et Génie des Matériaux, ENSMP - CEMEF Centre de Mise en Forme des Matériaux, ENSMP.

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Abstract

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 G 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.

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[Touratier 1999] M. Touratier - Computational models of chip formation and chip flow in machining in a multi-scale approach. Present status and future needs, Proceedings (CD-ROM) of the 2nd International Workshop on Modelling of Machining Operations, Nantes, 25-26 juin, 1999.
[Traën 1999] R. Traën - Simulation numérique de la découpe de tôle par cisaillement, Rapport de stage de fin d'étude CEMEF-USINOR, Septembre 1999.
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[Zhang 1992] X.B. Zhang - Etude numérique de la propagation de fissures par la mécanique de la rupture, Thèse de Doctorat de l'Université de Clermont-Ferrand II, Juin 1992.

Table of content

Introduction
I. Techniques de maillage pour des géométries complexes
I.1. Introduction
I.2. Résolution mécanique
I.2.1. Les équations de la mécanique pour un matériau élasto-viscoplastique
I.2.2. Formulation incrémentale du problème
I.2.3. La discrétisation spatiale du problème
I.2.4. La résolution du système
I.3. Mailleur et remailleur automatique
I.3.1. Le mailleur multi-domaines
I.3.2. Le remailleur automatique
I.4. Gestion du contact pour des multimatériaux
I.4.1. L'élaboration de composites
I.4.2. Stratégie de gestion des contours
I.4.3. Application
I.5. Méthodes de résolution pour des multimatériaux
I.5.1. Etude d'un assemblage collé
I.5.2. Etude de conditionnement
I.5.3. La méthode du gradient conjugué préconditionné
I.6. Bilan
II. Analyse mécanique d'une pièce fissurée
II.1. Motivations
II.2. Etude Bibliographique
II.2.1. Historique
II.2.2. Hypothèses et cadre de l'étude
II.2.3. Approche locale
II.2.4. Approche globale ou énergétique
II.2.5. Bilan
II.3. Développement d'outils numériques pour la modélisation d'une fissure
II.3.1. Maillage concentrique
II.3.2. Eléments singuliers
II.3.3. Bilan
II.4. Calcul du taux de restitution d'énergie
II.4.1. Implémentation de la méthode Gθ
II.4.2. Comparaison de différentes méthodes
II.4.3. Influence du maillage pour la méthode Gθ
II.4.4. Bilan
II.5. Application à l'adhérence d'un assemblage collé
II.5.1. Description de l'essai
II.5.2. Résultats
II.5.3. Bilan
II.6. Conclusion
III. Modélisation de la propagation quasi-statique de fissures
III.1. Etude bibliographique
III.1.1. Critères d'amorçage
III.1.2. Critères de bifurcation
III.1.3. Critères de stabilité
III.1.4. Méthodes numériques utilisées
III.2. Amorçage d'une fissure
III.2.1. Les outils numériques nécessaires à la localisation et à l'amorçage d'une fissure
III.2.2. Amorçage en contrainte critique
III.2.3. Amorçage en endommagement critique
III.2.4. Application au compactage de coques
III.3. Propagation d'une fissur
III.3.1. Critère de la contrainte normale maximale
III.3.2. Critère de la densité d'énergie de déformation minimale
III.3.3. Critère du taux de restitution d'énergie maximal
III.3.4. Comparaison
III.3.5. Bilan
III.4. Applications et développements spécifiques
III.4.1. Plaque trouée pré-fissurée
III.4.2. Poutres en flexion et formation de débris
III.4.3. Procédés à fort cisaillement et contact matière-matière
III.4.4. Propagation dans les structures multimatériaux
III.5. Conclusion
IV. Influence de l'oxydation de gaines en zircaloy 4 sur leurs propriétés mécaniques
IV.1. Contexte de l'étude
IV.1.1. L'essai spécifique de compactage
IV.1.2. Le zircaloy 4 irradié
IV.1.3. Recherche du matériau simulant
IV.1.4. Bilan et matériau simulant retenu
IV.2. Modélisation numérique du compactage
IV.2.1. Validation de la loi de comportement: dépliage d'un demi-tube
IV.2.2. Prise en compte du multi-domaines: compactage de trois tubes superposés
IV.2.3. Prise en compte de la fissuration: compactage d'un tube
IV.2.4. Etudes de sensibilité
IV.2.5. Bilan
IV.3. Etude et discussion sur l'influence d'une couche d'oxyde
IV.3.1. Oxydation du zircaloy 4
IV.3.2. Etude expérimentale de l'oxydation de tubes en zircaloy 4 écroui
IV.3.3. Modélisation numérique du compactage d'un tube oxydé
IV.4. Bilan
Conclusion et perspectives
Annexes
A.Techniques de maillage
B.Champs mécaniques à la pointe d'une fissure statique
C.Courbes de résistance
D.Implémentation du critère de la contrainte normale maximale
Références bibliographiques

Statistiques de consultation

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