Modélisation micromécanique de matériaux hétérogènes contenant des microfissures avec la Méthode des Eléments Discrets (MED)

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Réfractaires, Microfissures, Modélisation MED, Homogénéisation Périodique

Mots-clés

Matériaux réfractaires,

Méthode des éléments discrets,

Rupture, Mécanique de la

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Européen ATHOR (Advanced THermomechanical Multiscale Modelling of Refractory Linings). Les matériaux réfractaires sont des céramiques hétérogènes, résistantes à des températures élevées pour lesquelles, dans de nombreux cas, des microfissures préexistantes au sein de la microstructure jouent un rôle clé dans la résistance aux chocs thermiques. La Méthode des Eléments Discrets (MED) est aujourd’hui considérée comme un outil numérique majeur qui peut contribuer, à l'avenir, à concevoir des microstructures plus performantes. Ainsi, cette thèse est dédiée à la simulation numérique de matériaux réfractaires intégrant leur microstructure, leurs hétérogénéités, ainsi que la présence de fissures, et leur influence sur le comportement mécanique macroscopique. Ces travaux ont par ailleurs été réalisés dans le cadre d'un partenariat avec la société "ITASCA consultants". Au sein de l’outil Particle Flow Code (PFC), utilisé comme plateforme numérique MED, le model de contact Flat Joint Model (FJM) a été choisi car celui-ci permet de modéliser des microstructures de grains imbriqués, analogues à celles des matériaux réfractaires. Afin de développer des modèles numériques permettant de décrire les relations entre la microstructure et le comportement thermomécanique macroscopique, il est essentiel de mettre en oeuvre une approche multi-échelles, micro à macro, précise pour chacune des propriétés physiques clés intervenant dans la tenue aux chocs thermiques, en commençant par les propriétés d’élasticité. Dans cet objectif, la MED n'étant pas, à ce stade, aussi robuste que la Méthode des Eléments Finis (MEF), une approche d'homogénéisation périodique est proposée pour des milieux continus. Cette approche a ici été validée en comparant les résultats obtenus à des matériaux modèles, des modèles analytiques et MEF. A l’échelle méso-scopique, un modèle MED utilisant une approche statistique pour imiter l'influence mécanique des microfissures préexistantes est mis en oeuvre. Cette approche a également été validée par des données mécaniques expérimentales. Par la suite, afin de vérifier l'applicabilité du modèle MED proposé, des simulations de Wedge Splitting Test (WST) sont proposées pour étudier le processus de fissuration et le comparer qualitativement aux résultats expérimentaux obtenus en DIC. Finalement, un modèle hybride discret/continu (MED/MVF) est proposé pour optimiser ces simulations de WST et réduire les temps de calculs. Ces résultats clés ouvrent de nouvelles voies très intéressantes d'utilisation de la MED pour prédire le comportement thermomécanique de matériaux hétérogènes contenant de nombreuses microfissures pouvant se propager simultanément.