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Cette thèse a pour objectif de développer une modélisation robuste pour l’endommagement ductile. En raison de l’adoucissement et du niveau de déformation élevé, les principales difficultés pratiques dans la simulation de l’endommagement ductile sont la dépendance au maillage et le verrouillage volumique. Dans ce travail, on choisit tout d’abord le cadre de grandes déformations en se basant sur un formalisme logarithmique. Puis, partant de la loi de Gurson-Tvergaard-Needleman transcrite en grandes déformations, on adopte une formulation non locale à gradient d’une variable interne qui permet de contrôler la localisation du dommage et traiter ainsi la dépendance au maillage. Ensuite, le modèle non local est couplé avec des éléments finis mixtes pour limiter le verrouillage volumique relatif à l’incompressibilité plastique. On aboutit ainsi à la construction d’un cadre de modélisation de l’endommagement ductile, indépendant du maillage et exonéré du verrouillage volumique. Les propriétés mathématiques et la performance numérique du modèle sont étudiées avec attention. Enfin, après une identification des paramètres sur un acier nucléaire, on réalise des simulations sur des éprouvettes (AE, CT, SENT) et sur une tuyauterie de réelle dimension afin de les confronter à des résultats d’essais. / The major goal of this dissertation is to develop a robust model for ductile damage simulation. Because of the softening behavior and the significantly large deformation in ductile damage, two principle difficulties should be dealt with carefully: mesh-dependency and volumetric locking. In this thesis, we adopt a logarithmic finite strain framework in which the Gurson-Tvergaard-Needleman constitutive law is reformulated. Then a non-local formulation with regularization of hardening variable is applied so as to solve mesh dependency and strain localization problem. In addition, the non-local model is combined with mixed “displacement-pressure-volume variation” elements to avoid volumetric locking. Thereby we establish a mesh-independent and locking-free finite strain framework for ductile damage modelling. Attention is paid to mathematical properties and numerical performance of the model. Finally, after an identification work of a nuclear steel,we carry out simulations on normalized specimens (NT, CT, SENT) as well as an industrial tube in order to compare with experimental results.

The standards of fracture toughness determination prescribe size requirements for size of test specimens. In cases of limited amount of test material miniature test specimens offer one from the possibilities of fracture toughness evaluation. Because of small loaded volumes in these specimens at the crack tip the loss of constraint occur affecting measured values of fracture toughness. In such cases the size requirements for valid fracture toughness characteristics determination are not fulfilled. These specimens can be even on limits of load range of test devices and handle manipulation by their small dimensions. The important task related to these specimens is, apart from methodology of their preparation and measurement of deformations, the interpretation of measured values of fracture toughness and their possible correction to standard test specimens. Moreover, in the upper shelf region of fracture toughness quantification and interpretation of size effects is still not resolved sufficiently. This thesis is by its aims experimentally computational study focused on evaluation of size effect on fracture toughness in the upper shelf region. The size effect was quantified by testing of miniature and large specimens’ sizes in order to determine J R curves. Two geometries of miniature test specimens, there point bend specimen and CT specimen, were used. The experimental materials were advanced steels developed for applications in nuclear and power industry, Eurofer97 steel and ODS steel MA956. Finite elements analyses of realized tests together with application of micromechanical model of ductile fracture were carried out in order to evaluate stress strain fields at the crack tip in tested specimens from Eurofer97 steel. By comparison of experimental results and numerical simulations of J R curves the mutual dependencies between geometry of specimens and element sizes at the crack tip were derived. On the basis of acquired relationships, the methodology of J R curve prediction for standard specimen size from limited amount of test material was proposed. Main contribution of thesis is description of effect of material’s fracture toughness level on resistance against ductile crack propagation in miniature specimens. For material where significant crack growth occurs after exceeding the limit values of J integral (Eurofer97), the loss of constraint is considerable and highly decreases resistance against tearing. Miniature specimens then show significantly lower J R curves in comparison with standard size specimens. This effect is the opposite to the behaviour of miniature specimens in transition region. In case of material with low toughness, in which significant crack growth occurs in the region of J integral validity (ODS MA956), the effect of constraint loss is small without large impact on resistance against tearing. In such case miniature specimens demonstrate comparable J R curves as specimens of larger sizes. Next important contribution is proposed methodology for prediction of J R curve from small amount of test material using micromechanical modeling.

L'actuelle investigation numérique du Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) modèle avancé est une extension du travail de Ben Bettaieb et al. (2011). Le modèle a été implémenté à l'aide d'une sous routine (VUMAT) contenu dans le code commerciale d'éléments finis Abaqus/explicit. Le modèle d'endommagement améliore l'original en intégrant les trois mécanismes d'endommagement, la nucléation, la croissance, et la coalescence des cavités. Le modèle d'endommagement intègre les lois de nucléation et de croissance basés sur les phénomènes purement physiques. Ces nouvelles contributions incluant l'influence de l'écrouissage cinématique, ont été validées par les résultats de mesures expérimentales de tomographie à rayon X à haute résolution. Aussi, l'implémentation numérique de l'écrouissage cinématique dans le modèle modifié a contraint de proposer et de réarranger la définition de la triaxialité que l'on trouve habituellement dans la littérature. A coté de cela, un second critère d'initiation à la rupture basé sur l'ultime distance inter-cavités a été inclue afin de localiser et de quantifier avec plus de précision la distribution des déformations peu avant que le matériau ne casse complètement. L'actuel modèle d'endommagement a été appliqué dans des conditions industrielles pour prédire l'évolution de l'endommagement, l'état de contraintes, et l'initiation à la rupture pour différentes géométries de tôles et sur des essais d'emboutissage de tôles minces.