Offre de thèse
ISITE - Choc et re-choc dans les matériaux métalliques poreux :fermeture, réouverture des vides et rupture par écaillage dynamique
Date limite de candidature
05-06-2026
Date de début de contrat
01-10-2026
Directeur de thèse
CZARNOTA Christophe
Encadrement
L'encadrement de la thèse sera assuré par Christophe Czarnota (50%), PR LEM3 et Cédric Sartori (50%), MCF LEM3. Des réunions hebdomadaires seront organisées avec les encadrants et le (la) doctorant(e)
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 1 : Mécanique des Matériaux, des Structures et du Vivant (MMSV)contexte
Les matériaux poreux sont largement utilisés pour leur capacité d'absorption d'énergie dans des applications de protection, notamment dans les secteurs aéronautique, de la défense et du transport. Sous chargement dynamique de type choc, leur réponse est principalement gouvernée par la fermeture des vides contrôlée à la fois par la sensibilité à la vitesse de déformation de la matrice et par les accélérations locales au voisinage des vides. Ces dernières sont à l'origine d'effets de micro-inertie qui, combinés aux effets viscoplastiques de la matrice, influencent fortement la réponse macroscopique du matériau (Molinari & Mercier, 2001; Sartori et al., 2015, 2016; Czarnota et al., 2020; Lovinger et al., 2021; Massarwa et al., 2024). En parallèle, la rupture dynamique par écaillage (spall fracture), résultant d'ondes de traction issues de la réflexion aux surfaces libres lors d'un impact de plaques, constitue un mécanisme également contrôlé par les effets de micro-inertie et de viscoplasticité, impliquant cette fois nucléation, croissance et coalescence de vides (Antoun et al., 2003; Czarnota et al., 2008; Jacques et al., 2010; Virazels et al., 2025, 2026). Si ces phénomènes ont été étudiés séparément, leur enchaînement lors de chargements successifs (choc puis re-choc) reste encore peu exploré.spécialité
Mécanique des Matériauxlaboratoire
LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des MatériauxMots clés
Impact, micro-inertie, matériaux poreux, rupture par écaillage, modélisation, simulation numérique
Détail de l'offre
Les matériaux poreux sont largement utilisés pour leur capacité d'absorption d'énergie dans des applications de protection, notamment dans les secteurs aéronautique, de la défense et du transport. Sous chargement dynamique de type choc, leur réponse est principalement gouvernée par la fermeture des vides contrôlée à la fois par la sensibilité à la vitesse de déformation de la matrice et par les accélérations locales au voisinage des vides. Ces dernières sont à l'origine d'effets de micro-inertie qui, combinés aux effets viscoplastiques de la matrice, influencent fortement la réponse macroscopique du matériau (Molinari & Mercier, 2001; Sartori et al., 2015, 2016; Czarnota et al., 2020; Lovinger et al., 2021; Massarwa et al., 2024).
En parallèle, la rupture dynamique par écaillage (spall fracture), résultant d'ondes de traction issues de la réflexion aux surfaces libres lors d'un impact de plaques, constitue un mécanisme également contrôlé par les effets de micro-inertie et de viscoplasticité, impliquant cette fois nucléation, croissance et coalescence de vides (Antoun et al., 2003; Czarnota et al., 2008; Jacques et al., 2010; Virazels et al., 2025, 2026).
Si ces phénomènes ont été étudiés séparément, leur enchaînement lors de chargements successifs (choc puis re-choc) reste encore peu exploré.
Après un premier choc induisant une densification du matériau, une question fondamentale se pose :
Un matériau initialement poreux, compacté par un premier choc, se comporte-t-il comme un matériau dense lors d'un second choc ?
Cette problématique est centrale pour de nombreuses applications (protection, aéronautique, défense), où les matériaux peuvent subir des sollicitations dynamiques répétées.
Le projet vise ainsi à analyser les mécanismes couplés de :
- fermeture des vides sous choc,
- réouverture ou nucléation de nouveaux défauts sous re-choc,
- rupture dynamique par écaillage (spall fracture).
L'approche reposera sur un couplage étroit entre modélisation analytique, simulations numériques et comparaison avec des résultats expérimentaux obtenus en collaboration avec l'Université Carlos III de Madrid (UC3M) et IMDEA Materials Institute à Madrid.
Keywords
Impact, micro-inertia, porous materials, Spall fracture, Modeling, Numerical simulations
Subject details
Porous metallic materials are widely used for their energy absorption capabilities in protective applications, particularly in aerospace, defense, and transportation. Under dynamic shock loading, their response is primarily governed by pore collapse, which is controlled by both the strain-rate sensitivity of the surrounding matrix and strong local accelerations near voids. These accelerations give rise to micro-inertia effects which, combined with viscoplasticity, significantly influence the macroscopic material response (Molinari & Mercier, 2001; Sartori et al., 2015, 2016; Czarnota et al., 2020; Lovinger et al., 2021; Massarwa et al., 2024). In parallel, dynamic failure through spall fracture—resulting from tensile waves generated by reflection at free surfaces during plate impact—is also governed by micro-inertia and viscoplastic effects, and involves void nucleation, growth, and coalescence (Antoun et al., 2003; Czarnota et al., 2008; Jacques et al., 2010; Virazels et al., 2025, 2026). While these mechanisms have been extensively studied separately, their interplay under successive dynamic loading (shock followed by reshock) remains largely unexplored. In particular, a key open question is: Does a porous material densified by an initial shock behave as a fully dense material under a subsequent shock, or does it retain a microstructural memory affecting its response and failure? This issue is central to many applications (protection, aeronautics, defense), where materials may be subjected to repeated dynamic loading. The project therefore aims to analyze the coupled mechanisms of: - void closure under shock, - reopening or nucleation of new defects under re-shock, - dynamic fracture by spallation (spall fracture). The approach will rely on a close coupling between analytical modeling, numerical simulations, and comparison with experimental results obtained in collaboration with Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) and IMDEA Materials Institute in Madrid.
Profil du candidat
Le/la candidat(e) devra justifier d'un diplôme universitaire (Ingénieur et/ou Master) ouvrant l'accès à une inscription en thèse de doctorat et
-Solides connaissances en mécanique des matériaux et en mécanique des milieux continus ;
-Bonne maîtrise de la simulation numérique sous Abaqus ;
-Compétences en programmation scientifique (Python, Fortran) ;
-Une expérience en implémentation de lois de comportement (VUMAT/UMAT) constitue un atout ;
-Intérêt pour les phénomènes dynamiques, les approches multi-échelles et l'endommagement ;
-Bon niveau d'anglais scientifique (écrit et oral).
Candidate profile
- Strong background in solid and/or continuum mechanics;
- Experience with finite element modeling, using Abaqus;
- Proficiency in programming (e.g., Python, Fortran);
- Experience in implementing constitutive models (VUMAT/UMAT) is highly desirable;
- Strong interest in dynamic phenomena, multiscale modeling, and material failure;
- Good command of English, both written and spoken.
Référence biblio
Antoun, T. et al. (2023) Springer-Verlag New York.
Czarnota, C., Jacques, N., Mercier, S., Molinari, A. (2008), J. Mech. Phys. Solids (56), 1624–1650.
Czarnota, C., Molinari, Mercier, S. (2020), Int. J. Plast. (135), 102816.
Jacques, N., Czarnota, C., Mercier, S., Molinari, A. (2010), Int. J. Fract. (162) 1, 159–175.
Lovinger, Z., Czarnota, C., Ravindran, S., Molinari, A., Ravichandran, G. (2021), J. Mech. Phys. Solids (154), 104508.
Massarwa, E., Czarnota, C., Molinari, A. (2024), Int. J. Impact. Engng (184), 104817.
Molinari, A., Mercier S., (2001), J. Mech. Phys. Solids (49) 7, 1497-1516.
Sartori, C., Mercier, S., Jacques, N., Molinari, A. (2015), Mech. Mater. (80), 324–339.
Sartori, C., Mercier, S., Jacques, N., Molinari, A. (2016), Int. J. Solids. Struct. (97-98), 150 – 167.
Virazels, T., García-Molleja J., Nieto-Fuentes J.C., Gonzales M., Sket F., Rodríguez-Martínez J.A. (2025), Int. J. Plast (194) 104454.
Virazels, T., García-Molleja, J., Lukić, B., Foster, D., Rack, A., Puerta, S., Pedroche, D., Rodríguez-Martínez, J.A., Sket, F., (2026) J. Mech. Phys. Solids (211), 106551.