Evaluation basée sur l'imagerie d'un modèle d'endommagement à gradient hyperbolique 3D pour la fragmentation des solides fragiles – IPERFrag

La fragmentation dynamique est une rupture rapide et catastrophique d'un matériau, induite par des charges extrêmes ou comme conséquence d'une instabilité du matériau. La nucléation, la propagation, la ramification et la coalescence des fissures entraînent la formation d'un certain nombre de fragments qui dépendent du taux de chargement. Pouvoir prédire le modèle de fragmentation et l'historique de la formation des fragments pour un cas de chargement donné est donc d'une importance cruciale dans divers domaines industriels, tels que la conception de structures blindées, la maîtrise du nombre de débris spatiaux générés dans l'ingénierie aérospatiale, etc. Un tel objectif nécessite de relever deux défis principaux. Le premier est la construction de modèles mathématiques bien posés et de solveurs numériques 3D efficaces associés, dont les prédictions peuvent être validées par rapport à des données expérimentales quantitatives. Le second consiste à mieux comprendre la réponse complexe des fissures lorsqu'elles interagissent avec des ondes mécaniques, et à fournir des données expérimentales exhaustives qui seront hautement discriminantes pour tester les modèles.

Le projet IPERFrag vise à réaliser une évaluation basée sur l'image d'un nouveau modèle d'endommagement à gradient hyperbolique 3D pour décrire la fragmentation dans les solides fragiles. Ce projet vise donc à apporter des contributions aux deux principaux défis susmentionnés. Tout d'abord, la modélisation proposée trouve son originalité dans le fait qu'elle intègre une micro-inertie d'endommagement conduisant à la description de la propagation de l'endommagement par le biais d'une onde. Elle permet ainsi de tirer parti des schémas volumes finis existants, dont la complexité est inférieure à celle des solveurs d’endommagement non locaux existants. Sa mise en œuvre dans le code informatique libre ECOGEN permettra d'envisager des applications industrielles véritablement 3D à moyen terme, notamment grâce aux capacités de calcul à haute performance (HPC). Deuxièmement, l'imagerie à haute résolution spatiale (HR) et à ultra-haute vitesse (UHS) combinée à la corrélation d'images numériques (DIC) sera réalisée pour capturer avec précision l'interaction entre le modèle de fragmentation et les ondes mécaniques, grâce à la caméra à miroir rotatif multi-capteurs disponible. Les essais dynamiques expérimentaux menés sur des configurations d'essai discriminantes, impliquant une complexité croissante des motifs de fragmentation (de 1D à 3D), permettront d'obtenir des données quantitatives in situ grâce à des mesures de champ avec une résolution sans précédent. Parmi ces dernières, on peut citer les ondes acoustiques auto-émises par le front de fissure, les interactions fissure/onde, les conditions de ramification, la cinématique et la morphologie des fragments en fonction du chargement. La dernière étape du projet IPERFrag consiste à calibrer le modèle d'endommagement à gradient hyperbolique proposé par rapport à un sous-ensemble de données expérimentales obtenues sur un matériau poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) quasi-fragile, et à tester ses capacités de prédiction sur le modèle complémentaire, y compris un impact de plaque 3D difficile.

En bref, le projet IPERFrag vise à fournir à la communauté scientifique (i) un code informatique 3D gratuit (open-source) calibré et efficace capable de traiter de véritables scénarios de fragmentation industrielle en 3D de solides fragiles, (ii) des données quantitatives uniques provenant de tests dynamiques expérimentaux de complexité croissante jusqu'à la fragmentation en 3D, et (iii) une visualisation in situ complète des mécanismes sous-jacents de formation des fragments et de leur chronologie associée.