Offre de thèse
Dynamique des microfissures dans la rupture rapide des matériaux fragiles : études avec modèles d'endommagement multi-échelles
Date limite de candidature
30-06-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
DASCALU Cristian
Encadrement
Des réunions périodiques avec les encadrants seront organisées pour la coordination du projet de recherche. Des présentations des résultats obtenus aux membres de l'équipe de recherche seront également envisagées.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 1 : Mécanique des Matériaux, des Structures et du Vivant (MMSV)contexte
La recherche sera menée dans le Département Mécanique des Matériaux, des Structures et du Vivant (MMSV) du LEM3 et plus particulièrement dans l'axe 3 Dynamique et conditions extrêmes (CeDyn). L'axe CeDyn se consacre à la théorie, à la modélisation numérique et au développement expérimental, avec une attention particulière portée au comportement mécanique des matériaux soumis à des conditions extrêmes incluant les grandes vitesses de déformation et les hautes températures. Une diversité de matériaux est considérée: métaux, céramiques, polymères nanostructurés ou matériaux biosourcés, composites stratifiés, obtenus par diverses méthodes comme la fabrication additive (matériaux architecturés).spécialité
Mécanique des Matériauxlaboratoire
LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
Mots clés
Rupture dynamique, Microfissures, Modèles d'endommagement, Simulations éléments finis
Détail de l'offre
L'analyse des marques coniques observées sur les surfaces de rupture dynamique dans des matériaux polymères fragiles met en évidence la propagation des microfissures à des vitesses inférieures à celles du front macroscopique et indépendantes du chargement [1]. La rupture rapide de ces matériaux est la conséquence d'un effet collectif de propagation et coalescence des microfissures.
Pour la modélisation de ce comportement il est nécessaire d'avoir une description à deux échelles du processus de rupture distribuée. Les modèles d'endommagement obtenus par homogénéisation à partir d'une distribution de fissures en évolution [2-5] permettent le calcul des vitesses microscopiques. Dans l'étude récente [7], basée sur un modèle bi-dimensionnel, on a montré cet effet collectif pour la rupture en mode de cisaillement lors de la transition subRayleigh-supershear [6].
L'objectif principal de la recherche est l'étude de la dynamique des microfissures pendant la rupture rapide des matériaux fragiles par des modèles d'endommagement obtenus à partir des distributions localement périodiques de microfissures penny-shaped [5]. Ce type de microstructure correspond à la physique et aux méthodes d'analyse des marques coniques [1]. Le développement des modèles sera fait par homogénéisation asymptotique et des simulations 3D de rupture dynamique seront effectuées pour retrouver les résultats expérimentaux. Des comportements spécifiques, comme l'apparition des instabilités de micro-branchement [3], seront également examinés en lien avec l'évolution à l'échelle de la microstructure.
On considérera également le mode de rupture en cisaillement pour établir le lien avec la propagation des microfissures dans un cadre tridimensionnel. Une attention particulière sera donnée à la transition vers des vitesses du front macroscopique supérieures à la vitesse des ondes de cisaillement. On montrera que la rupture en régime supershear est également un effet collectif de propagation sub-Rayleigh et de coalescence des microfisures. Le projet de recherche permettra ainsi une caractérisation globale, pour les différents modes, de la dynamique de microfissuration pendant la rupture rapide des matériaux fragiles.
Keywords
Dynamic rupture, Microcracks, Damage models, Finite elements simulations
Subject details
The analysis of the conic marks observed on the dynamic rupture surfaces in nominally brittle polymers indicates that the propagation velocity of microcracks is lower than that of the macroscopic front and independent on the applied loading [1]. The rapid failure of these materials is the consequence of a collective effect of propagation and coalescence of microcracks. In order to model this behavior a two-scale description of the distributed failure process is necessary. The damage models obtained by homogenization of a distribution of evolving microcracks allowing for an explicit evaluation of their propagation velocity [2-5] are particularly appropriate. In a recent study [7], a successful two-dimensional description of this collective effect of microcracks for rapid shear failure during the subRayleigh-to-supershear transition [6] has been preformed. The main objective of the doctoral research project is the modeling and the analysis of the microcracks dynamics during the rapid failure of brittle solids using damage models obtained by homogenization from locally-periodic distributions of penny-shaped microcracks [5]. This particular microstructure is corresponding to the experimental observations of the conic marks on fracture surfaces [1]. Three-dimensional simulations of the dynamic fracture processes in the opening mode will be performed and a detailed link with the propagation of microcracks will be established. Specific behaviors, like micro-branching instabilities [3], will be also analyzed in relation with the evolving microstructure. Also considered will be the case of shear failure to establish the link with the propagation of microcracks in a three-dimensional framework. A particular attention will be given to the transition of the macroscopic rupture front to the supershear regime and the corresponding evolution of the microstructure. This will complete the previous analysis and provide a global characterization, for different propagation modes, of the microcracks dynamics during rapid failure in brittle solids.
Profil du candidat
Bonnes connaissances en Mécanique des solides, Science des matériaux, Mécanique de la rupture et de l'endommagement et Méthodes numériques.
À l'aise avec le travail sur ordinateurs (programmation, scripts, lignes de commande …).
Candidate profile
Good knowledge of Solid Mechanics, Materials Science, Fracture and Damage Mechanics and Numerical Methods.
Comfortable with computers (programming, scripts, command lines, etc.).
Référence biblio
[1] Guerra, C., Scheibert, J., Bonamy, D., Dalmas, D. 2012. Understanding fast macro-scale fracture from microcrack post mortem patterns, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 390-394.
[2] Keita, O., Dascalu, C., François B., 2014. A two-scale model for dynamic damage evolution. J. Mech. Phys. Solids. 64, 170-183.
[3] C. Dascalu, 2018, Multiscale modeling of rapid failure in brittle solids: branching instabilities. Mech. Mater. 199, 2765-2778.
[4] Atiezo, M.K., Gbetchi, K., Dascalu, C., 2020. Dynamic shear damage with frictional sliding on microcracks. Engineering Fracture Mechanics 23, 107188.
[5] C. Dascalu, A damage law for dynamic failure in brittle solids with penny-shaped microcracks, 2023, J. Dynamic Behavior Mater. https://doi.org/10.1007/s40870-023-00395-6.
[6] Rosakis, A. J., O. Samudrala, and D. Coker, 1999. Cracks Faster Than the Shear Wave Speed. Science, 284, pp. 1337-1340.
[7] C. Dascalu, 2024, Supershear rupture with a two-scale damage model, Engng. Fract. Mech. 295, 109783.