Rupture dynamique des méta-matériaux – METACRACK

Durant ces dernières années, on a vu se développer un intérêt de plus en plus marqué pour de nouveaux matériaux appelés matériaux architecturés. Les matériaux architecturés avec une structure hétérogène à l'échelle mésoscopique (mousse, nids d'abeille..) tendent à devenir un nouveau standard pour les applications haute performance en ingénierie. Ces matériaux sont également intéressants pour les applications structurelles car leur architecture peut être optimisée. Les matériaux architecturés possèdent une architecture à une échelle pour laquelle la séparation n'est pas toujours bien établie avec l'échelle d'une fissure pouvant se développée sous une sollicitation mécanique. Dans ces cas là, de fortes interactions se produisent entre la structure du matériau et le front de la fissure. La conception à la rupture de pièces mécaniques utilisant des matériaux architecturés est donc un problème très complexe. Sous sollicitation quasi-statique, la force motrice d'une fissure est proportionnelle à sa longueur. Les fissures longues se propagent donc préférentiellement et elles présentent un risque plus élevé pour la structure. Inversement, sous chargement transitoire, la force motrice ne dépend que de l'intensité du chargement et plus de la longueur de la fissure. Le risque qu'une fissure se propage sous chargement dynamique est donc indépendant de sa taille. La singularité à la pointe de la fissure en régime dynamique est établie dans les premiers instant de la formation de la fissure alors qu'elle doit être plus longue en quasi-statique. En d'autres termes, en régime transitoire, le chargement contient des courtes longueurs d'onde qui rendent le comportement des fissures identique quelque soit leur longueur. En fonction de leur longueur d'onde, les ondes élastiques peuvent également interagir avec la structure du matériau autour de la pointe de la fissure. En conséquence, les interactions entre une fissure et la structure du matériau doivent toujours être considérées en régime transitoire. Quand les matériaux architecturés sont utilisés dans le contexte de la propagation des ondes (acoustique, photonique,….), ils sont appelés méta-matériaux. Il a été montré que les méta-matériaux avaient des propriétés remarquables comme celle d’empêcher la propagation d'ondes autour de certaines fréquences à cause de modes de vibration locaux. Ce phénomène est appelé band-gap. L'intervalle de fréquence concerné par ce band-gap est défini par la géométrie de la structure du méta-matériau. L'objectif à long terme de ce projet de recherche est de concevoir, en exploitant ces propriétés de band-gap, des matériaux qui soient susceptibles de stopper (ou au moins de ralentir) la propagation dynamique des fissures. Dans le projet METACRACK, un cadre unifié incluant, expérimentations, mesures de champs, modélisation mécanique et simulation numérique sera développé. En utilisant la fabrication additive, il est possible de produire des échantillons de ces matériaux et de les tester rapidement. De l'imagerie haute résolution et haute vitesse sera utilisée pour analyser par corrélation d'images les déplacements à l'échelle de la cellule unitiare mais aussi à l'échelle macroscopique. L'analyse de ces déplacements de leur relation sera utilisée pour valider le modèle macroscopique (Cosserat) pour le type de matériau que nous allons étudier (pavage quasi-périodique de Penrose). Une théorie de mécanique de la rupture sera développée dans ce contexte. Deux pistes seront suivies : l'une basée sur une généralisation des concepts de mécanique de la rupture comme les facteurs d'intensité des contraintes et l'autre basée sur une approche de type Level-Set épaisse. Cette méthode numérique sera couplée avec la mesure de champs pour valider la cinématique du modèle milieu continu choisi et pour identifier les paramètres constitutifs et les critères de rupture.