On the initiation, the growth, the arrest and the restart of cracks under impact loading
Initiation, propagation, arrêt et redémarrage de fissures sous impact
Résumé
The objective is to propose a methodology for assessing dynamic crack propagation laws under mixed-mode loading. Unlike quasi-static cases where the loading and the crack position can be easily established, in dynamic impact cases the loading conditions, the variation of the propagation parameters and the exact position of a crack are difficult to control. Thus, the determination of relevant constitutive crack propagation laws from dynamic crack propagation experiments is a rather challenging operation. Therefore, if one wants to evaluate dynamic crack propagation laws under mixed loading, one must perform numerical simulations and assess the quality of the laws by comparing numerical and experimental results. This process requires that the quality of both the numerical simulations and the experiments be perfectly controlled.
Dynamic crack propagation experiments have been performed and two different techniques for measuring accurate crack tip position histories have been considered: very accurate crack tip localization by optical displacement sensor has been first used for transparent materials; then, an automatic method based on full-field displacement measurement has been developed for crack localization in all brittle materials whatever their opacity.
Those experimental techniques have been carried out to study different cases of dynamic propagation: initiation in mode 1 or in mixed-mode, crack propagation, crack arrest, crack restart, interaction between two cracks, influence of a hole on the crack path, dynamic branching. Those experiments have been then numerically reproduced. A good fit of the experimental and numerical results is observed.
Dynamic crack propagation experiments have been performed and two different techniques for measuring accurate crack tip position histories have been considered: very accurate crack tip localization by optical displacement sensor has been first used for transparent materials; then, an automatic method based on full-field displacement measurement has been developed for crack localization in all brittle materials whatever their opacity.
Those experimental techniques have been carried out to study different cases of dynamic propagation: initiation in mode 1 or in mixed-mode, crack propagation, crack arrest, crack restart, interaction between two cracks, influence of a hole on the crack path, dynamic branching. Those experiments have been then numerically reproduced. A good fit of the experimental and numerical results is observed.
Les risques liés à la propagation de fissures sous impact sont encore très difficiles à estimer. La détermination de critères de rupture dynamique uniquement à partir de résultats expérimentaux reste délicate. Ainsi la première étape pour valider des lois de propagation de fissures sous impact passe par le développement d'outils de simulation numérique. Depuis les années 1970, de nombreux codes de calcul mécanique ont été dédiés à l'étude de la propagation de fissures, notamment dans le cas du phénomène de fatigue. La principale difficulté consiste dans la nécessité de suivre la géométrie de la fissure au cours du temps. Ces dernières années, des méthodes alternatives basées sur la partition de l'unité ont permis une description implicite des discontinuités mobiles. C'est le cas de la méthode des éléments finis étendue (X-FEM) qui paraît particulièrement adaptée à la simulation de la propagation dynamique de fissures sous chargement mixte où les trajets de fissures ne sont pas connus a priori. Si ces outils numériques permettent maintenant de représenter l'avancée dynamique d'une fissure, les résultats numériques doivent être comparés à des résultats expérimentaux pour s'assurer que les lois introduites sont physiquement fondées. Notre objectif est donc de développer conjointement des techniques expérimentales fiables et un outil de simulation numérique robuste pour l'étude des phénomènes hautement transitoires que sont l'initiation, la propagation, l'arrêt et le redémarrage de fissures sous impact.
Des expériences de rupture dynamique ont donc été réalisées sur du Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) durant lesquelles la mixité du chargement varie et des arrêts et redémarrages de fissures se produisent. Deux bancs d'essais différents ont été utilisé, le premier basé sur la technique des barres de Hopkinson (ou barres de Kolsky), le second mettant en jeu un vérin rapide. Le PMMA étant transparent, la position de la fissure au cours de l'essai a été acquise grâce à des caméras rapides mais aussi en utilisant un extensomètre optique (Zimmer), habituellement dédié à la mesure de déplacements macroscopiques d'un contraste noir/blanc. L'utilisation de cet extensomètre pour suivre la fissure au cours de l'essai a permis d'obtenir une localisation très précise de la pointe de la fissure en continu, permettant ainsi l'étude des phases transitoires de propagation. Afin d'étudier le même phénomène dans des matériaux opaques comme les aluminiums aéronautiques (Al 7075), des techniques de corrélation d'images numériques ont été employées en mouchetant les éprouvettes impactées. De nouveaux algorithmes ont été développés afin de traiter les images issues d'une caméra ultra-rapide (jusqu'à 400 000 images par seconde).
Plusieurs géométries ont été envisagées afin d'étudier différents cas de propagation dynamique : initiation en mode I pur, initiation en mode mixte, propagation, arrêt, redémarrage, interaction entre deux fissures, influence d'un trou sur le trajet d'une fissure, branchement dynamique de fissures. Ces expériences ont ensuite été reproduites numériquement afin de valider les algorithmes et les critères de rupture choisis.
Des expériences de rupture dynamique ont donc été réalisées sur du Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) durant lesquelles la mixité du chargement varie et des arrêts et redémarrages de fissures se produisent. Deux bancs d'essais différents ont été utilisé, le premier basé sur la technique des barres de Hopkinson (ou barres de Kolsky), le second mettant en jeu un vérin rapide. Le PMMA étant transparent, la position de la fissure au cours de l'essai a été acquise grâce à des caméras rapides mais aussi en utilisant un extensomètre optique (Zimmer), habituellement dédié à la mesure de déplacements macroscopiques d'un contraste noir/blanc. L'utilisation de cet extensomètre pour suivre la fissure au cours de l'essai a permis d'obtenir une localisation très précise de la pointe de la fissure en continu, permettant ainsi l'étude des phases transitoires de propagation. Afin d'étudier le même phénomène dans des matériaux opaques comme les aluminiums aéronautiques (Al 7075), des techniques de corrélation d'images numériques ont été employées en mouchetant les éprouvettes impactées. De nouveaux algorithmes ont été développés afin de traiter les images issues d'une caméra ultra-rapide (jusqu'à 400 000 images par seconde).
Plusieurs géométries ont été envisagées afin d'étudier différents cas de propagation dynamique : initiation en mode I pur, initiation en mode mixte, propagation, arrêt, redémarrage, interaction entre deux fissures, influence d'un trou sur le trajet d'une fissure, branchement dynamique de fissures. Ces expériences ont ensuite été reproduites numériquement afin de valider les algorithmes et les critères de rupture choisis.