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Couplage multi-physique et durabilité des matériaux et des structures

par Alexandre MARTIN, Anne-Lise GLOANEC - publié le , mis à jour le

Responsable : Ziad MOUMNI

Les recherches développées au sein de l’opération de recherche n°1 (OR1) portent d’une part sur l’évaluation de l’état mécanique des matériaux et des structures présentant un couplage multi-physique (thermo-hydromécanique, magnéto-mécanique, électromécanique, etc.) et d’autre part sur les mécanismes de dégradation (fatigue, endommagement, rupture,) des matériaux et des structures. Les approches adoptées privilégient le traitement global des problèmes et tiennent compte des aspects à la fois expérimentaux, théoriques et numériques. Par ailleurs, bien que les modélisations soient effectuées à l’échelle macroscopique (échelle de la mécanique des milieux continus ou des structures), la compréhension des mécanismes physiques sous-jacents requiert une approche multi-échelles. Les applications portent sur les composants métalliques de l’énergie et du transport, les matériaux et les structures actifs, les structures en béton et les ouvrages géo-mécaniques.

La recherche est structurée en deux thématiques :

1. Couplages multi-physiques

Matériaux et structures actifs

On cherche à modéliser des matériaux et structures actifs tels que les matériaux à mémoire de forme et les matériaux magnétiques. L’objectif est de développer des approches globales afin de prédire le comportement de ces matériaux et structures en tenant compte de tous les couplages multi-physiques (thermomécanique, magnéto-mécanique, piézoélectrique) qui caractérisent leurs réponses. L’originalité des travaux réside dans le caractère global de la démarche adoptée et dans son caractère multi-échelles. Les applications concernent le domaine du transport (véhicule électrique), de l’énergie (récupération d’énergie et amortissement séismique) et le biomédical (les stents).

Géo-mécanique et Génie Civil

Dans le domaine des géo-matériaux, les évolutions portent sur les modèles de comportement utilisés (couplage avec la thermique, couplage endommagement pression, anisotropie), leur validation par rapport à des données expérimentales de sites, et les techniques numériques associées (régularisation des modèles, extension à la dynamique, grandes déformations, etc.). Les applications concernent le stockage géologique et le comportement de structures en béton armé sous sollicitations extrêmes (épreuves décennales pour les enceintes de centrales nucléaires, effets de séisme sur des ouvrages géo-mécaniques, impacts sur structures génie civil).

Autres domaines d’investigation

Les autres domaines d’investigation du laboratoire concernent la modélisation du soudage et la prise en compte des couplages physico-chimiques pour la fracturation fragile en corrosion sous contrainte. Les applications concernent la fracturation fragile du zirconium, utilisé pour le gainage des assemblages REP, et l’optimisation des modes opératoires du soudage afin de s’assurer de la qualité des soudures réalisées. Les efforts porteront sur la modélisation de la surface libre du bain qui détermine la forme du cordon de soudure, sur le couplage entre le plasma d’arc et le bain de fusion et sur le rôle de l’hydrogène dans la fissuration à froid.

2. Dégradation des matériaux et structures

Fatigue des matériaux et des structures

Cette thématique concerne la fatigue des matériaux et des structures sous sollicitations multi-physiques complexes. Les axes de recherche concernent la définition de critères multiaxiaux d’amorçage, notamment pour la fatigue thermomécanique, la fatigue à gradient, la fatigue des structures soudées et la fatigue vibratoire. Les effets de l’environnement et des contraintes résiduelles sont pris en compte. Les travaux comportent des volets théoriques et numériques, sous-tendus par une démarche expérimentale pour la compréhension des mécanismes microstructuraux sous-jacents. Les applications concernent essentiellement les composants métalliques nucléaires et le transport.

Endommagement et rupture

On s’intéresse ici à la dégradation des matériaux et structures et à sa modélisation soit continue via des modèles d’endommagement, soit discontinue dans le cadre des approches de la mécanique de la rupture. Pour ce faire, plusieurs aspects sont pris en compte : le couplage entre les modes de dégradation du matériau que sont la fissuration et la plastification, que ce soit en rupture fragile ou ductile ainsi que dans la zone de transition ; l’influence de la tri-axialité des contraintes et des chargements non proportionnels ; la prise en compte des grandes déformations en pointe de fissure. Les approches de type endommagement seront ainsi utilisées avec des lois de comportement classiques à étendre au cas des grandes déformations. Elles nécessitent un contrôle de la localisation et de l’incompressibilité, un traitement numérique des points matériels totalement endommagés, ainsi qu’un processus de remaillage du fait de la distorsion introduite par les grandes déformations. En complément, des approches cohésives seront utilisées pour la représentation de véritables interfaces avec un axe portant sur la transition entre approches endommageantes et cohésives. Enfin, les méthodes d’homogénéisation peuvent être mises à profit pour construire des formulations de lois constitutives à l’échelle de la structure. Les applications concernent essentiellement les structures en béton armé et les structures métalliques des centrales nucléaires.

Impacts sur dalle en béton armé (simulation et expérimentation).