Modélisation de la transition traction-cisaillement des métaux sous choc par la X-FEM

Dans un contexte de vulnérabilité militaire des sous-marins, les ingénieurs et chercheurs doivent être capables de prédire le comportement des structures fissurées. Ainsi, la modélisation de la transition des changements de modes de propagation de fissure (cisaillement-traction et inversement) des métaux sous sollicitations extrêmes devient un outil incontournable ou essentiel. Des critères tridimensionnels de direction de propagation de fissure développés pour une rupture par cisaillement ou par ouverture sont exposés. Des formules de direction de propagation semi-analytiques et analytiques, fonctions des facteurs d intensité des contraintes et du coefficient de Poisson, sont ainsi proposées. L interprétation de ces formules laisse envisager la prise en compte des effets tridimensionnels dans de futures simulations 3D de propagation de fissure. Une étude du problème en deux dimensions est également développée, proposant une formule analytique du critère en cisaillement. De plus un algorithme automatique de transition cisaillement-traction a été implémenté dans le code de calcul de dynamique explicite Europlexus, développé par le CEA. Une méthodologie d identification des paramètres du modèle pour un matériau donné et pour un cas quasi-statique a été proposée. Confronté à l interprétation de deux expériences connues de propagation dynamique (expériences de Kalthoff et de Ravichandran), le modèle proposé a montré sa pertinence. De plus, afin de mieux connaître le comportement à rupture de l acier à Haute Limite Élastique Soudable, deux études expérimentales dédiées au suivi de la propagation dynamique d un front de fissure ont été développées et validées sur des essais de rupture sous chargement quasi-statique et dynamique de type choc. Cette étude expérimentale a permis d observer que les branchements de fissures, relevés sur les essais sous chargement quasi-statique, n apparaissent plus sous chargement dynamique et pour des sollicitations en mode I pur. Les méthodes théoriques et numériques développées dans ces travaux de thèse permettent donc de simuler, automatiquement et avec un unique modèle, les changements de modes de rupture au cours d une propagation dynamique de fissure. De plus, les protocoles expérimentaux exposés dans ce manuscrit permettent d appréhender les phénomènes de transition cisaillement-traction en soulevant l importance de la vitesse de sollicitation et du mode de sollicitation de l essai.We propose an approach to the simulation of the shear-tensile transition in dynamic crack growth based on two points: a new crack propagation criterion which is suitable for shear, and an algorithm which is capable of handling the transition from shear mode to tensile mode and back in the same simulation. The new crack propagation criterion for brittle crack growth is based on the maximum shear stress rather than the maximum hoop stress. The shear stress direction becomes the new crack s direction in which propagation is initiated for shear-type failure. The stress state at the crack s tip is obtained through a local approach which can be used even in the case of extensive plasticity. Additionally, we propose to control the transition from shear mode to tensile mode during the simulation of crack propagation using an equivalent strain estimated at the crack s tip. Depending on a threshold strain, the propagation direction is predicted using the maximum shear stress (in the shear case) or the maximum hoop stress (in the tensile case).VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

X-FEM simulation of the shear-tensile transition for dynamic crack propagation

Dans un contexte de vulnérabilité militaire des sous-marins, les ingénieurs et chercheurs doivent être capables de prédire le comportement des structures fissurées. Ainsi, la modélisation de la transition des changements de modes de propagation de fissure (cisaillement-traction et inversement) des métaux sous sollicitations extrêmes devient un outil incontournable ou essentiel. Des critères tridimensionnels de direction de propagation de fissure développés pour une rupture par cisaillement ou par ouverture sont exposés. Des formules de direction de propagation semi-analytiques et analytiques, fonctions des facteurs d’intensité des contraintes et du coefficient de Poisson, sont ainsi proposées. L’interprétation de ces formules laisse envisager la prise en compte des effets tridimensionnels dans de futures simulations 3D de propagation de fissure. Une étude du problème en deux dimensions est également développée, proposant une formule analytique du critère en cisaillement. De plus un algorithme automatique de transition cisaillement-traction a été implémenté dans le code de calcul de dynamique explicite Europlexus, développé par le CEA. Une méthodologie d’identification des paramètres du modèle pour un matériau donné et pour un cas quasi-statique a été proposée. Confronté à l’interprétation de deux expériences connues de propagation dynamique (expériences de Kalthoff et de Ravichandran), le modèle proposé a montré sa pertinence. De plus, afin de mieux connaître le comportement à rupture de l’acier à Haute Limite Élastique Soudable, deux études expérimentales dédiées au suivi de la propagation dynamique d’un front de fissure ont été développées et validées sur des essais de rupture sous chargement quasi-statique et dynamique de type choc. Cette étude expérimentale a permis d’observer que les branchements de fissures, relevés sur les essais sous chargement quasi-statique, n’apparaissent plus sous chargement dynamique et pour des sollicitations en mode I pur. Les méthodes théoriques et numériques développées dans ces travaux de thèse permettent donc de simuler, automatiquement et avec un unique modèle, les changements de modes de rupture au cours d’une propagation dynamique de fissure. De plus, les protocoles expérimentaux exposés dans ce manuscrit permettent d’appréhender les phénomènes de transition cisaillement-traction en soulevant l’importance de la vitesse de sollicitation et du mode de sollicitation de l’essai.We propose an approach to the simulation of the shear-tensile transition in dynamic crack growth based on two points: a new crack propagation criterion which is suitable for shear, and an algorithm which is capable of handling the transition from shear mode to tensile mode and back in the same simulation. The new crack propagation criterion for brittle crack growth is based on the maximum shear stress rather than the maximum hoop stress. The shear stress direction becomes the new crack’s direction in which propagation is initiated for shear-type failure. The stress state at the crack’s tip is obtained through a local approach which can be used even in the case of extensive plasticity. Additionally, we propose to control the transition from shear mode to tensile mode during the simulation of crack propagation using an equivalent strain estimated at the crack’s tip. Depending on a threshold strain, the propagation direction is predicted using the maximum shear stress (in the shear case) or the maximum hoop stress (in the tensile case)

Modélisation de la transition traction-cisaillement des métaux sous choc par la X-FEM

We propose an approach to the simulation of the shear-tensile transition in dynamic crack growth based on two points: a new crack propagation criterion which is suitable for shear, and an algorithm which is capable of handling the transition from shear mode to tensile mode and back in the same simulation. The new crack propagation criterion for brittle crack growth is based on the maximum shear stress rather than the maximum hoop stress. The shear stress direction becomes the new crack’s direction in which propagation is initiated for shear-type failure. The stress state at the crack’s tip is obtained through a local approach which can be used even in the case of extensive plasticity. Additionally, we propose to control the transition from shear mode to tensile mode during the simulation of crack propagation using an equivalent strain estimated at the crack’s tip. Depending on a threshold strain, the propagation direction is predicted using the maximum shear stress (in the shear case) or the maximum hoop stress (in the tensile case).Dans un contexte de vulnérabilité militaire des sous-marins, les ingénieurs et chercheurs doivent être capables de prédire le comportement des structures fissurées. Ainsi, la modélisation de la transition des changements de modes de propagation de fissure (cisaillement-traction et inversement) des métaux sous sollicitations extrêmes devient un outil incontournable ou essentiel. Des critères tridimensionnels de direction de propagation de fissure développés pour une rupture par cisaillement ou par ouverture sont exposés. Des formules de direction de propagation semi-analytiques et analytiques, fonctions des facteurs d’intensité des contraintes et du coefficient de Poisson, sont ainsi proposées. L’interprétation de ces formules laisse envisager la prise en compte des effets tridimensionnels dans de futures simulations 3D de propagation de fissure. Une étude du problème en deux dimensions est également développée, proposant une formule analytique du critère en cisaillement. De plus un algorithme automatique de transition cisaillement-traction a été implémenté dans le code de calcul de dynamique explicite Europlexus, développé par le CEA. Une méthodologie d’identification des paramètres du modèle pour un matériau donné et pour un cas quasi-statique a été proposée. Confronté à l’interprétation de deux expériences connues de propagation dynamique (expériences de Kalthoff et de Ravichandran), le modèle proposé a montré sa pertinence. De plus, afin de mieux connaître le comportement à rupture de l’acier à Haute Limite Élastique Soudable, deux études expérimentales dédiées au suivi de la propagation dynamique d’un front de fissure ont été développées et validées sur des essais de rupture sous chargement quasi-statique et dynamique de type choc. Cette étude expérimentale a permis d’observer que les branchements de fissures, relevés sur les essais sous chargement quasi-statique, n’apparaissent plus sous chargement dynamique et pour des sollicitations en mode I pur. Les méthodes théoriques et numériques développées dans ces travaux de thèse permettent donc de simuler, automatiquement et avec un unique modèle, les changements de modes de rupture au cours d’une propagation dynamique de fissure. De plus, les protocoles expérimentaux exposés dans ce manuscrit permettent d’appréhender les phénomènes de transition cisaillement-traction en soulevant l’importance de la vitesse de sollicitation et du mode de sollicitation de l’essai

Modélisation de la transition ductile/fragile des métaux sous choc

Pour modéliser la transition ductile-fragile, nous proposons une approche: un nouveau critère pour prédire la direction de propagation dans un cas ductile et un algorithme capable de basculer en ductile-fragile et inversement dans la même simulation. Ce nouveau critère postule que la direction de propagation se fera suivant le maximum de la contrainte de cisaillement. Nous proposons aussi de contrôler la transition ductile-fragile par une déformation équivalente, estimée en pointe de fissure. La dernière étape consiste à valider ce processus par l'intermédiaire d'une simulation numérique

Metallurgical Approach for the Development of Heat Treatment Applied to 316L Stainless Steel Cold Spray Coatings

International audienceIndustries developing cold-spray processes aim at producing dense and resistant coatings. Controlling microstructure and inter-particular fracture characteristics of sprayed coatings is essential to improve their properties. To do so, post-spraying heat treatment is a promising approach. This work addresses the development of such heat treatments and focuses on the analysis of recovery and recrystallization. Different heat treatment parameters were explored, namely, holding temperature and time, heating rate, and heating method. This approach revealed a competition between recrystallization and other microstructural evolution mechanisms, such as precipitation and porosity coalescence. An optimized heat treatment, allowing microstructural softening and adequate mechanical properties, was sought after. First, differential scanning calorimetry measurements applied to as-sprayed coatings enabled to identify recovery and recrystallization temperature ranges. Then, a variety of heat treatments was applied, involving long-time isothermal holdings as well as shorter cycles. Microstructure analysis and hardness measurements allowed making a first selection of treatment conditions

New functionalities of the 3.0 version of TFEL, MFront and MTest

International audienceMFront is a tool which allows easy implementation of abritrary complex mechan- ical behaviours in an efficient way. Those implementations are portable between various finite element solvers and solvers based on FFT. MFront is part of the open-source TFEL project which also provide an useful point-wise solver called MTest

Effect of Various Heat Treatments on the Microstructure of 316L Austenitic Stainless Steel Coatings Obtained by Cold Spray

International audienceIndustries developing cold-spray processes aim at producing dense and resistant coatings for the repair of components. Controlling microstructure and inter-particular fracture characteristics of sprayed coatings is essential to improve their properties. To do so, post-spraying heat treatment is a promising approach from a metallurgical and mechanical point of view. This work addresses the effect of heat treatments on cold sprayed 316L austenitic stainless steel coatings and focuses on the analysis of recovery and recrystallization. Different heat treatment parameters were explored, namely, holdin