THÈSE DE DOCTORAT DE

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

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THÈSE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG Spécialité : Mécanique Présentée à l'Institut de Mécaniques des Fluides et des Solides par Laurence CAMPAGNE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG I MODÉLISATION ET SIMULATION DE LA VISCOPLASTICITÉ ET DE L'ENDOMMAGEMENT EN GRANDES VITESSES DE DÉFORMATION Soutenue le 25 novembre 2003 Devant le jury composé de : Rapporteur externe : F. HILD, Directeur de recherche, LMT-Cachan Rapporteur externe : K. SAANOUNI, Professeur, UTT-Troyes Rapporteur interne : E. CAILLAUD, Professeur, IPST-Strasbourg Examinateur : J.L. BATOZ, Professeur, INSIC-Saint Dié Examinateur : A. MOLINARI, Professeur, LPMM-Metz Directeur de thèse : S. AHZI, Professeur, IMFS-Strasbourg Invités : C. POIZAT, chercheur, Fh-IWM-Freiburg, Allemagne Y. REMOND, Professeur, IMFS-Strasbourg

  • fils edwin-corentin

  • docteur de l'université

  • fh-iwm-freiburg

  • sincères remerciements au docteur

  • terre avec la vielle micheline rouge


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Publié le 01 novembre 2003
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THÈSE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG
Spécialité :
Mécanique

Présentée à

l’Institut de Mécaniques des Fluides et des Solides

par Laurence CAMPAGNE

pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ
LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG I
MODÉLISATION ET SIMULATION DE LA
VISCOPLASTICITÉ ET DE L’ENDOMMAGEMENT EN
GRANDES VITESSES DE DÉFORMATION
Soutenue le 25 novembre 2003
Devant le jury composé de :

Rapporteur externe : F. HILD, Directeur de recherche, LMT-Cachan K. SAANOUNI, Professeur, UTT-Troyes
Rapporteur interne : E. CAILLAUD, Professeur, IPST-Strasbourg
Examinateur : J.L. BATOZ, Professeur, INSIC-Saint Dié
Exam A. MOLINARI, Professeur, LPMM-Metz
Directeur de thèse : S. AHZI, Professeur, IMFS-Strasbourg
Invités : C. POIZAT, chercheur, Fh-IWM-Freiburg, Allemagne
Y. REMOND, Professeur, IMFS-Strasbourg

THÈSE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG
Spécialité :
Mécanique

Présentée à

l’Institut de Mécaniques des Fluides et des Solides

par Laurence CAMPAGNE

pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ
LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG I
MODÉLISATION ET SIMULATION DE LA
VISCOPLASTICITÉ ET DE L’ENDOMMAGEMENT EN
GRANDES VITESSES DE DÉFORMATION
Soutenue le 25 novembre 2003
Devant le jury composé de :

Rapporteur externe : F. HILD, Directeur de recherche, LMT-Cachan K. SAANOUNI, Professeur, UTT-Troyes
Rapporteur interne : E. CAILLAUD, Professeur, IPST-Strasbourg
Examinateur : J.L. BATOZ, Professeur, INSIC-Saint Dié
Exam A. MOLINARI, Professeur, LPMM-Metz
Directeur de thèse : S. AHZI, Professeur, IMFS-Strasbourg
Invités : C. POIZAT, chercheur, Fh-IWM-Freiburg, Allemagne
Y. REMOND, Professeur, IMFS-Strasbourg





A mes deux soleils : Arnaud et
mon fils Edwin-Corentin pour
leur compréhension et leur
soutien.











3















4 REMERCIEMENTS


C'est à l’Institut de Mécanique des Fluides et des Solides (IMFS) de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg,
que le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé, et je tiens à remercier Monsieur Yves Rémond (Professeur
et directeur de l’IMFS) de m’avoir accueilli au sein du laboratoir et pour ces encouragements.

Je voudrais tout d'abord exprimer ma profonde gratitude au professeur Saïd AHZI, directeur de recherche de
l’unité Matériaux, Mécaniques, Structures et Procédés, pour m'avoir accueilli dans son équipe et de m'avoir
témoignée durant ces trois années une totale confiance.

Je tiens également à adresser mes sincères remerciements au docteur Loïc DARIDON, maître de conférences,
pour avoir co-encadré cette thèse, pour sa grande disponibilité et ses conseils avisés mais aussi pour sa bonne
humeur et ses encouragements. (Patience…..encore quelques millions d’années et Strasbourg sera en bord de
mer !)

Que Messieurs Emmanuel CAILLAUD (Professeur à l’ Institut Professionnel des Sciences et Technologie),
François HILD (Directeur de recherche au Laboratoire de Mécanique et de Technologie) et Khemais
SAANOUNI (Professeur à l’Université de Technologie de Troyes ) trouvent ici l’expression de ma sincère
reconnaissance pour avoir accepté la charge de rapporter ce travail. Je les remercie énormément pour tout le
temps qu’ils m’ont consacré.

J'adresse également mes remerciements à Messieurs Jean Louis BATOZ (Professeur à l’Institut Supérieur
d'Ingénierie de la Conception) et Alain MOLINARI (Professeur au Laboratoire de Physique et Mécanique des
Matériaux) d’avoir accepté d’examiner ce travail.

J’adresse un grand merci au Dr Christophe Poizat (Fraunhofer Institut Werkstoffmechanik) pour les
nombreuses discussions scientifiques ; tes encouragements constants et ton amical soutien m’ont grandement
aidée dans les moments difficiles.

Merci aussi à la SNCF pour ne pas m’avoir épargnée durant ces trois années (entre le coup de la panne,
l’absence de chauffage en plein hiver glacial, les grèves…..) j’ai tout de même parcouru 1,7 fois le tour de la
Terre avec la vielle Micheline rouge. Ayez pitié d’elle….mettez là à la retraite, elle est fatiguée après 28 ans de
service.

Sur un plan plus personnel, je souhaiterais que ma famille, tous mes amis et toutes les personnes qui, de près ou
de loin, ont contribué à l’aboutissement de cette thèse, se reconnaissent pour recevoir mes remerciements les
plus sincères.

5


6 Table des matières

Introduction :___________________________________________________________11
Notation :______________________________________________________________17

I Théorie des ondes _____________________________________________________________24
I Théorie des ondes _____________________________________________________________25
I-1 Introduction __________________________________________________________ 25
I-2 Propagation des ondes élastiques dans les solides _________________________ 25
I-2-1 Propagation d’une onde élastique de compression ou de traction___________ 27
I-3 Propagation des ondes plastiques et de choc dans les solides _____________________ 28
I-4 Influence de la forme de l’onde et réflexion des ondes.__________________________ 32
II Lois de comportement viscoplastique applicables en dynamique _____________________33
II-1 Généralités _____________________________________________________________________ 33
II-2 Les lois purement phénoménologiques (lois empiriques)___ 36
II-3 Les lois à base physique ___________________________________________________________ 38
II-3-1 Théorie de mouvement des dislocations____________ 38
II-3-2 Lois associées _______________________________________________________________ 38
III Endommagement et rupture dynamique ________________________________________42
III-1 Introduction ___________________________________________________ 42
III-2 Différents modes de ruines __________________________ 44
III-4 Mécanismes de rupture _____________________________________ 47
III-5 Modèles liés à la mécanique des milieux continus endommageables. _____________ 51
III-5-1 Modèles non couplés______________________________________________ 51
III-5-2 Modèles couplés ___________________ 54
III-5-3 Conclusion partielle_________________________________________ 57
III-5 Critères de rupture selon une approche phénoménologique _______________________________ 58
III-6 Modèles basés sur une approche stochastique___________ 62
IV Conclusion _________________________________________________________________63

CHAPITRE II :___________________________________________________________ 65
Modélisation de l’endommagement dynamique _______________________________65
I- Modèle d’endommagement proposé à base physique selon une approche stochastique
(modèle NAG)______________________________________________________________67
I-1 Processus de germination contrôlée par la déformation ___________________________69
I-2 Processus de germination contrôlée par la contrainte___________________________________70
I-3 Processus de croissance _________________________________________________________71
I-4 Détermination du volume total relatif de vides. _______________________________________73
II- Tests numériques de validité sur un élément__________________________________78
II-1 Description des tests ___________________________________________________________78
II-2 Chargement avec saut de vitesse (cas sans prise en compte de l’endommagement) __________ 86
II-3 Cycle de charge-décharge (A effort imposé)_________________________________________87
II-4 Cycle de compression-traction (A déplacement imposé) _______________________________90
II-5 Cisaillement____________________________________________________________92
III- Conclusion ____________________________________________________________94


7 CHAPITRE III : ____97
Application aux problèmes d’impact________________________________________97
I- Introduction_____________________________________________________________99
I-1 Impact plan cylindre-cylindre______________________________________ 99
I-1-1 Analyse de la dépendance au maillage sur le profil de la surface libre___________________105
I-1-2 Etude paramétrique.__________________________________________________________109
I-1-3 Influence de la vitesse d’impact______________________________________111
I-1-4 Comparaison de l’approche physique proposée avec une approche phénoménologique.__2
II- Cas d’un impact plan cylindre-cone. Cas de l’acier HY-100 ____________________118
III- Conclusion ____________________________________________________________123

CHAPITRE IV :__________________________________________________________ 125
Application à l’impact de Taylor et à la perforation___________________________125
I- Introduction ____________________________________________________________127
II- Cas d’un impact de Taylor. Cas du cuivre OFHC _____________________127
II-1 Influence du type de conditions limites et de la température ___________________________129
II-2 Comparaison du modèle MTS+NAG avec le modèle Johnson-Cook et les résultats
expérimentaux______________________________________________________________ 135
III- Application aux problèmes de perforation__________________________________139
III-1 Perforation de cible épaisse déformable (cuivre OFHC) avec un projectile non déformable
de type tige (Alliage de tungstène)._____________________________________________ 140
II-1-1 Comparaison entre une approche physique et une approche phénoménologique.
Considération de l’algorithme de contact par paire. __________________________________ 142
III-2 Perforation de cible déformable (cuivre OFHC) avec un projectile non déformable de type
sphère (Alliage de tungstène)._________________________________________________ 149
II-2-1 Comparaison entre une approche physique et une approche phénoménologique. ______ 150
III-3 Conclusion________________________________________________________________ 153

CONCLUSIONS GENERALES ET
155 PERPSPECTIVES _____________________________________________________

BIBLIOGRAPHIES ____________________________________________________159

ANNEXES____________________________________________________________167











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9
10