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Youbin CHEN - Soutenance de thèse MINES ParisTech

Youbin CHEN

Modélisation de la rupture ductile par approche locale : simulation robuste de la déchirure

Titre anglais : Modeling of ductile fracture using local approach : reliable simulation of crack extension
Date de soutenance : 20/11/19
Directeur de thèse : Jacques BESSON

Mots clés en français : Endommagement ductile,Modèle de GTN,Dépendance au maillage,Vérouillage volumique,Elements distordus,Régularisation nonlocale,
Mots clés en anglais : Ductile damage,GTN model,Mesh sensitivity,Volumetric-locking,Distorted elements,Nonlocal regularization,

Résumé de la thèse en français
L'objectif principal de ce travail est de proposer et établir une stratégie de modélisation robuste, fiable et performante pour réaliser des avancées de fissure centimétriques dans des structures industrielles nécessairement 3D. Le modèle d'endommagement de GTN écrit en grande déformation est utilisé pour modéliser l'endommagement ductile. Ce modèle appartient à l'approche locale. Il est connu que cette approche peut conduire au problème de localisation de déformation. Il est nécessaire d'utiliser un modèle non local pour résoudre ce problème. Dans ce travail, le modèle non local avec une formulation de plasticité à gradient est adopté. Grâce à ce modèle, le problème numérique de la dépendance au maillage est bien réglé. Par ailleurs, dans ce travail, le problème de verrouillage volumique est limité par une formulation des éléments mixtes. La distorsion des éléments cassés est traitée par un modèle visqueux-élastique. Une rigidité et un temps caractéristique sont introduits dans ce modèle: cette rigidité peut éviter la distorsion des éléments, conduisant à des contraintes résiduelles qui tend vers zéro avec le temps. Le modèle de GTN non local avec des traitements spéciaux aux différents problèmes numériques est donc établit. Afin de savoir comment utiliser ce modèle pour faire des simulations fiables, des analyses numériques sont faites. Ensuite, le modèle de GTN est appliqué à simuler la grande propagation dans un milieu infini (condition de la plasticité confinée). Une relation linéaire entre la longueur non-locale implicitement introduit par the terme de gradient plasticité et la largeur de la band de localisation est établie. L'émoussement, l'amorçage et la propagation de fissure sont bien prédits par ce modèle. Une plage assez large pour chaque paramètre de plasticité et d'endommagement peut être utilisée d'une manière fiable si bien que la ténacité et la déchirure de matériau peuvent être exhaustivement étudiées. Tous ces résultats surlignent la robustesse de notre modèle. Enfin, le modèle de GTN est employé dans le cadre du projet ATLAS+. Les paramètres du modèle sont identifiés avec les résultats expérimentaux d'AE. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour prédire les comportements des autres éprouvette (CT et SENT) et du tube industriel. Selon les résultats obtenus, le modèle de GTN permet de prédire l'émoussement, l'amorçage et la propagation de fissure dans ces différentes éprouvettes et le tube. Il est souligné qu'à peu près deux millions degrés de liberté sont intervenus dans le calcul du tube. La robustesse, la fiabilité et la performance de notre modèle sont démontrés de nouveau.

Résumé de la thèse en anglais
The major goal of this work is to propose and establish a robust, reliable and efficient modeling for the prediction of crack propagation in three-dimensional industrial cases with a distance of centimeter along crack path. The GTN damage model written at finite strains is chosen in this work for the modeling of ductile fracture. This model belongs to the category of local approach. It is well known that this approach leads to the issue of strain-localization. Nonlocal constitutive relations are required to solve this issue. In this work, a formulation of gradient plasticity is adopted. The hardening variable is regularized to simultaneously control the plastic localization and the damage localization. It is demonstrated that the nonlocal model can effectively reduce mesh-sensitivity in finite element simulations. As for other numerical issues, volumetric locking is handled with a mixed element formulation, highly distorted elements are regularized by a viscous-elastic model. An additional stiffness and a characteristic time are introduced in the viscous-elastic model: the stiffness can preclude distortion, resulting in a (small) viscous stress which vanishes with time. Consequently, the nonlocal GTN model with special treatment for different numerical issues is established. In order to know how to correctly use the improved GTN model and thus to perform reliable simulations, some numerical analyses of this model are conducted. After that, the GTN model is applied to simulate large crack propagation under small-scale yielding conditions. A linear relationship between the non-local intrinsic length implicitly introduced by the hardening gradient terms and the width of the damage/strain localization band is established. Crack tip blunting, crack initiation and large crack propagation are well captured with the improved model. Wide ranges for the plasticity and damage parameters can be used in a reliable way so that toughness at crack initiation as well as ductile tearing behavior can be thoroughly studied. All these results highlight the robustness of the improved model. Finally, the GTN model is used in the framework of the UE project ATLAS+, the model parameters are firstly fitted according to the experimental results of NT and then used to predict the behavior of other small-scale specimens (CT, SENT) and the large-scale pipe FP1. According to the obtained results, the improved GTN model is able to predict crack tip blunting, crack initiation and crack propagation in these small or large structures. It should be noticed that around two million degrees of freedom is involved in the simulation of pipe. The robustness, the reliability and the performance of the improved model are thus demonstrated again.

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