Etude des mécanismes de déformation de la neige par microtomographie et simulation numérique – SNOW-WHITE

Le comportement mécanique de la neige reste un problème ouvert. Un état de l'art résumé peut être donné comme suit: · Observation de la microstructure par tomographie X: peu d'expériences sont rapportées. Elles sont faites avec des tomographes de laboratoire (résolution 36 à 100 mm3). · Modelisation des propriétés mécaniques: seuls 2 calculs micro-échelle par élément finis (FEM) de l'élasticité de la neige ont été publiés à ce jour, et seulement 1 modélisation par éléments discrets (DEM) du comportement viscoélastique. Les modèles micro-macro pour la neige sont rares. · Anisotropie de la glace: dans le domaine ductile le monocristal se déforme en cisaillement 100 fois plus vite que la glace polycristalline isotrope. La littérature considère les grains de neige comme faits de glace polycristalline isotrope: ceci peut conduire à des interprétations erronées des essais mécaniques en termes de mécanismes physiques activés et amoindrit l'intérêt de simulations à l'échelle du grain. · Glissement aux joints de grains (GBS): il est généralement admis comme un mécanisme dominant dans la neige, malgré le peu d'observations directes du GBS dans la glace et la neige. Notre objectif est de comprendre comment la neige se déforme à l'échelle du grain dans le domaine ductile. En particulier nous voulons estimer les rôles respectifs de l'anisotropie du monocristal de glace et du GBS aux contacts inter-grains.
A cet effet nous proposons d'effectuer des essais de compression sur neige sèche sous rayonnement synchrotron afin d'enregistrer l'évolution de sa microstructure par tomographie X. Les résultats expérimentaux seront interprétés en termes de comportement mécanique grâce à des simulations numériques des essais. Un modèle micro-macro basé sur ces résultats donnera accès à la méso-échelle (~ 100 x taille du grain). Les participants appartiennent aux quatre laboratoires Grenoblois concernés par la neige (CEN, CEMAGREF, LGGE, L3S). Le projet sera mené en étroite collaboration avec l'ESRF (ID19) pour la partie expérimentale. a)Partie expérimentale La tomographie X sera faite sur de la neige soumise à compression uniaxiale (charge constante) pour: - enregistrer l'arrangement géométrique des grains avant et pendant la déformation; - déterminer l'orientation cristallographique initiale des grains (afin de faire des simulations réalistes). · Géométrie de la microstructure et mesure des déformations: les images de la microstructure (résolution 5 mm), prises à différents instants, serviront de contrôles pour les simulations numériques. · Orientation cristallographique des grains: nous emploierons 2 méthodes complémentaires: 1/ diffraction contrast tomography, une nouvelle technique ESRF qui combine la topographie X et la tomographie. Les développements prévus sont l'adaptation et l'automatisation de l'analyse des données pour les matériaux biphasiques (neige). Elle sera utilisée pour la mesure des orientations initiales. 2/ figures d'attaque: cette méthode destructive est basée sur l'analyse (images 3D) des figures produites sur la surface de la glace par sublimation. Elle sera utilisée seulement en fin d'essai. · Métamorphisme d'isothermie: pour évaluer son influence quelques enregistrements de l'évolution de la microstructure par tomographie seront faits sans charge appliquée. b)Partie modélisation · Simulations numériques des expériences: elles seront faites 1/ sur la base de la géométrie et des orientations de grains mesurées. 2/ en utilisant 2 approches complémentaires: FEM et DEM. 3/ en prenant en compte l'anisotropie de la glace. Leur validité sera estimée par comparaison avec les images 3D prise à des instants différents. · Couplage avec le modèle de métamorphisme d'isothermie du CEN: le modèle intégré résultant servira de dispositif expérimental virtuel . · Modélisation micro-macro: le modèle CEMAGREF sera testé sur les résultats expérime