Simulation Numérique des Impacts HYPERvéloces – SNIHYPER

Le projet SNIHYPER (Simulation Numérique des Impacts HYPERvéloces) est porté par un groupe de chercheurs d’Aix Marseille Université, de la Direction des Applications Militaires (DAM) du CEA : DIF (DAM Ile de France) et CESTA (Centre d’Etudes Scientifiques et Techniques d’Aquitaine) et du Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS) de l’Ecole Polytechnique. Ces chercheurs sont tous spécialistes de la modélisation mathématique et numérique des milieux fluides et solides. Le but de ce projet est la simulation numérique des impacts hypervéloces. Les impacts hypervéloces sont des impacts à grandes vitesses accompagnés de grandes pressions et de températures élevées en présence d’onde de choc. Ces impacts sont accompagnés par de nombreux effets physiques tels que la plastification, fissuration, changement de phase, etc. L’interaction avec le fluide ambiant (eau, air, gaz de détonation) est également très importante et rarement prise en compte (voir quasiment absente) dans la littérature. L’étude de ces impacts est particulièrement importante pour les applications spatiales (impact de débris sur les satellites), militaires (interaction entre obus flèche et blindage) et civiles (sécurité des établissements classés SEVESO).
Les outils de simulation actuellement utilisés dans l’industrie et dans la plupart des laboratoires de recherche sont basés sur des modèles dits hypoélastiques pour lesquels la loi de comportement est décrite par l’intermédiaire d’une équation d’évolution en temps reliant le taux de contraintes au taux de déformations. Cette approche présente les lacunes suivantes :
- La validité des codes de calcul lagrangiens, par exemple LS-DYNA, est restreinte aux déformations modérées. La formulation mathématique (non-conservative) ne permet pas un traitement correct des ondes de choc fortes.
- Les solutions adoptées pour traiter les grandes déformations reposent généralement sur des méthodes érosives, qui suppriment les mailles selon un critère arbitraire. Ces méthodes sont par définition non conservatives, dépendantes des critères d’érosion et du maillage, et éliminent les mailles dans lesquelles se produisent les phénomènes intéressants.
- Les codes de calcul eulériens, par exemple CTH (Etats Unis), OURANOS (France) et EGIDA (Russie) utilisent aussi une formulation non–conservative des équations qui présente les mêmes difficultés pour le calcul des ondes de choc.
Une autre classe de modèles dits hyperélastiques connaît un essor particulier ces derniers temps. Dans ces modèles, le tenseur des contraintes est obtenu par la variation de l’énergie interne. Cette formulation est intrinsèquement conservative. L’hyperbolicité est garantie pour une classe assez large d’équations d’états. C’est précisément cette classe de modèles qui va être développée dans ce projet pour simuler les impacts hypervéloces.
Dans le contexte de l’hyperélasticité, les membres de ce projet ont développé une approche prometteuse traitant l’apparition dynamique d’interfaces internes (fissures). Cette technique eulérienne, appelée méthode des interfaces diffuses, considère les mailles d'interface entre matériaux comme des zones de mélange artificiel au travers desquelles les conditions d'interface doivent être vérifiées. Ainsi, l’interface entre un solide pur et un fluide pur est une zone diffuse, mais cette diffusion est négligeable pour les évolutions en temps courts. L'avantage principal de cette approche est de résoudre les mêmes équations avec le même schéma numérique sur tout le domaine de calcul y compris au voisinage des interfaces. Les conditions aux limites aux interfaces sont incluses de façon naturelle dans la formulation. Les capacités de ces méthodes, pour le traitement de la pénétration de projectile ont déjà été démontrées. Avec ce projet, nous proposons d’étendre le code de calcul à un nombre arbitraire de phases pour aborder les problèmes d’impact hypervéloces et obtenir des comparaisons quantitatives avec des résultats expérimentaux.