Etude expérimentale et modélisation de la réponse mécanique de la glace polycristalline sous chargement de traction dynamique PDF Download

Author: David Georges
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Book Description
Les impacts de grêlons peuvent induire de sérieux dégâts sur les aéronefs allant jusqu'à menacer l'intégrité même de la structure. Afin de concevoir des structures résistantes à ces impacts, il est dans un premier temps nécessaire de modéliser efficacement la réponse mécanique de la glace lorsque soumise aux conditions de chargement typiques d'un impact. Toutefois, la plupart des modèles visant à simuler les impacts de glace se basent sur des rhéologies élasto-viscoplastiques et présentent un domaine de validité restreint. En raison d'un manque de données expérimentales pour les paramètres contrôlant les mécanismes de fragmentation, ces modèles sous-estiment en particulier l'importance du comportement dynamique de la glace en traction et négligent systématiquement l'effet de la microstructure de la glace. Pourtant, il ressort de l'étude d'autres matériaux fragiles que les propriétés de fragmentation de ce type de matériau sous chargement de traction dynamique sont fortement dépendantes de la vitesse de déformation et de la microstructure. Dans un grêlon, les porosités sont des candidates sérieuses comme défauts les plus critiques pouvant initier la fragmentation. L'objet de cette étude est donc d'analyser la relation entre la porosité de la glace, les mécanismes d'endommagement et la réponse mécanique de la glace en traction dynamique.Dans ce travail, des essais d'écaillage hautement instrumentés sur des échantillons de glace polycristalline isotrope présentant différents taux de porosités, ont ainsi été menés à l'aide d'un dispositif expérimental adapté à ce matériau. Les essais d'écaillage ont permis de fournir le premier jeu de données robuste et reproductible pour la résistance en traction dynamique de la glace. À l'opposé de ce qui a pu être observé sous chargement quasi-statique, les résultats montrent une augmentation de la résistance en traction dynamique et de la densité de fissures avec la vitesse de déformation. La porosité diminue, elle, la résistance en traction dynamique de la glace. Cette influence de la porosité est justifiée en introduisant l'hypothèse que la contrainte critique pour amorcer une fissure sur une porosité est fonction de sa taille.En parallèle de ces travaux expérimentaux, nous proposons l'utilisation du modèle d'endommagement anisotrope Denoual-Forquin-Hild pour prédire le comportement dynamique de la glace en traction. La densité de défauts critiques, paramètre d'entrée de ce modèle, est déterminée par deux approches. La première consiste à appliquer le modèle de Weibull, qui utilise une distribution statistique suivant une loi puissance, pour caractériser la dispersion des contraintes à rupture d'essais de flexion. La seconde est basée sur l'utilisation des distributions réelles de tailles des porosités mesurées par micro-tomographie aux rayons X. La mécanique linéaire de la rupture est utilisée comme critère de rupture pour convertir la taille des porosités en contrainte d'activation. Les solutions du modèle avec ces deux approches sont détaillées et comparées avec les résultats expérimentaux. Les essais d'écaillage sont également reproduits par simulations numériques avec le modèle Denoual-Forquin-Hild. Nous observons que l'estimation d'une densité de défauts critiques basée sur la distribution de taille réelle des porosités permettrait une prédiction plus précise pour un plus large intervalle de vitesse de déformation que l'utilisation d'une distribution statistique basée sur le modèle de Weibull. Les résultats des simulations numériques sont en très bon accord avec les observations expérimentales, validant ainsi le rôle prépondérant des porosités dans l'amorçage de la fragmentation dans la glace poreuse. Ces résultats mettent en évidence l'importance de considérer la microstructure (et en particulier la porosité) ainsi que les spécificités de la résistance en traction dynamique comme des ingrédients essentiels de la modélisation de l'impact de grêle sur les structures.