Le travail de thèse porte sur l’étude du comportement mécanique d’un tissu soumis à un impact balistique en utilisant une modélisation multi-échelle prenant en compte les fibres et les fils. Cette approche micro-méso permet de mettre en évidence les phénomènes physiques pouvant se produire lors d’un impact balistique sur un tissu. A l’échelle du fil, une étude paramétrique a permis de cerner l’influence des propriétés physiques et mécaniques sur les réponses balistiques d’un tissu 2D. En plus, les effets de la localisation de l’impact sont étudiés pour tenir compte de la position du projectile sur un tissu 3D. A l’échelle de la fibre, une analyse fine des déformations en compression transversale d’un fil est développée. Ces phénomènes sont pris en considération pour prédire la tenue balistique d’un fil soumis à un impact transversal en utilisant une modélisation à l'échelle microscopique (échelle d'une fibre). Aussi, un tissu est modélisé en utilisant une approche multi-échelle. En effet, la zone affectée par l’impact est modélisée à une échelle microscopique tandis que les autres zones sont modélisées à une échelle mésoscopique. Une analyse des résultats est effectuée en termes d'évolutions des vitesses d'impact avec et sans perforation, des énergies cinétique et déformation et des forces d'impact. Les résultats numériques sont validés par confrontation aux données expérimentales. / The thesis focuses on the study of mechanical behavior of a fabric subjected to ballistic impact by using a multi-scale modeling that takes into account fibers and yarns. This micro-meso approach allows highlighting the physical phenomena that may occur during the ballistic impact on fabric. At the yarn level, a parametric study enables investigation into the influences of physical and mechanical yarn properties on the ballistic behavior of a plan-woven-fabric. Also, the effects of the impact localization are investigated to take into account the strike position of the projectile on a 3D fabric. At the fibers level, a detailed analysis of transverse compressive deformation of yarn is developed. These phenomena are considered to predict the ballistic response of a yarn subjected to a transverse impact using modeling at the microscopic scale (the scale of fiber). A modeling of fabric using a multi-scale approach is also performed. In this model, the area affected by the impact is modeled on the microscopic scale, while other areas are modeled on the mesoscopic scale. An analysis of the results is carried out regarding projectile velocity history, the kinetic energies and deformation, and impact forces in the cases of impact with and without perforation. The numerical results are validated by comparison with experimental data.

Ce travail de thèse a pour but de contribuer à l'étude du comportement thermomécanique des matériaux métalliques soumis à un impact balistique. Des études expérimentales, analytiques et numériques ont été réalisées pour analyser en détail le processus de perforation. Deux matériaux ont été étudiés au cours de ce travail : un acier doux ES et un acier IF. Dans un premier temps, des essais de caractérisation mécanique (traction et compression quasi-statique et dynamique) ont été réalisés en vue de la modélisation du comportement mécanique des matériaux étudiés. Les résultats montrent que l'acier doux ES et l'acier IF sont très sensibles à la vitesse de déformation. Deux modèles constitutifs, l'un empirique (Johnson-Cook) et l'autre semi-physique (Rusinek-Klepaczko) ont été utilisés pour modéliser le comportement thermoviscoplastique des matériaux. Une identification complète des constantes définissant les deux modèles a été réalisée pour chaque matériau en vue de l'implémentation des lois dans un code éléments finis pour la simulation numérique des essais d'impact et de perforation. Le comportement à l'impact des matériaux a ensuite été étudié. Les essais d'impact et de perforation ont été réalisés à l'aide d'un canon à gaz. L'influence de la géométrie du projectile, des propriétés mécaniques du matériau le constituant, de l'épaisseur de la cible et de sa configuration (sandwich ou monolithique) sur le processus de perforation a été analysée. Les résultats montrent que le mode de rupture, la limite balistique et la capacité d'absorption d'énergie de la cible métallique sont fortement liés à la forme du projectile utilisé. Il a été montré que les cibles métalliques monolithiques résistent mieux à la perforation que les configurations sandwichs (épaisseur totale inférieure ou égale à 4 mm). En outre, il a été trouvé que la limite balistique de la cible est fortement influencée par la rigidité du projectile utilisé. Enfin un modèle EF 3D a été développé permettant de simuler le comportement mécanique des cibles métalliques soumises à l'impact et à la perforation. Les résultats issus des prévisions numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Il a été observé de façon globale un bon accord entre les prévisions numériques et l'expérience notamment en termes de courbes balistiques, d'énergie absorbée, de modes de rupture et de temps de rupture pour chaque type de projectile. Les résultats numériques montrent l'importance d'une description précise du comportement des matériaux dans les conditions dynamiques basée sur des expériences de laboratoire incluant les effets d'adoucissement thermique, d'écrouissage et de sensibilité à la vitesse de déformation, dans la modélisation numérique de processus physiques / This thesis aims to contribute to the study of the thermo-mechanical behaviour of metallic materials subjected to ballistic impact. Experimental, analytical and numerical studies were performed to analyze in details the process of perforation. Two materials have been investigated in this work : mild steel ES and IF steel. As a first step, mechanical characterization tests (tensile and compression tests under quasi-static and dynamic conditions) As have been made towards to modeling the mechanical behaviour of the materials studied. The results show that mild steel ES and IF steel are highly susceptible to the strain rate. Two constitutive equations, one empirical (Johnson-Cook) and other semi-physical (Rusinek-Klepaczko) were used to model the thermoviscoplastic behaviour of materials. A complete identification of constants defining the two models was carried out for each material in order to implements the constitutive laws into a finite element code for the numerical simulation of impact and perforation tests. The behaviour of materials under impact was then examined. The effect of the projectile shape, the mechanical properties of the projectile material, the target thickness and it is configuration (monolithic or sandwich) on the perforation process was analyzed. The results show that the failure mode, the ballistic limit and the energy absorption power of the metal target are strongly related to the shape of the projectile used. It has been shown that the monolithic targets plates are more strong to be perforate than the sandwich configurations (total thickness less than or equal to 4 mm). In addition, it was found that the ballistic limit of the target is strongly influenced by the rigidity of the projectile used. Finally, a 3D FE model was developed to simulate the mechanical behaviour of metal targets subjected to ballistic impact. The results from the numerical predictions were compared with experiments. It has been observed globally a good agreement between the numerical predictions and experiments especially in terms of ballistic curves, energy absorbed, failure modes and failure time for each kind of projectile. The numerical results show the importance of an accurate description of materials behaviour under dynamic conditions based on laboratory experiments including thermal softening effects, strain hardening and strain rate sensitivity in numerical modeling of physical processes

Dans le contexte de la biomécanique, les outils numériques constituent des moyens puissants et indispensables dans la compréhension des mécanismes de blessures. Ils permettent de pallier les freins que sont les expérimentations sur l'humain, liés à des raisons d'éthique qui limitent la possibilité d'essais sur des SHPM (Sujets Humain Post Mortem). Le développement de ces outils numériques a conduit à celui de plusieurs mannequins numériques permettant de stimuler diverses sollicitations (civiles ou militaires), nous donnant ainsi accès à des limites de tolérances.En vue d'explorer la réponse dynamique du corps humain soumis à des sollicitations diverses, un modèle de mannequin numérique a été développé au sein du laboratoire. Ce travail de thèse tente donc d'apporter une contribution dans la recherche sur la définition d'un critère de blessure et l'établissement de limites de tolérance du corps humain soumis aux chargements violents de la partie thoracique dans des contextes militaires. / The development of computer science has allowed an increase in the use of numerical approaches such as finite elements method in order to understand physical mechanisms. These numerical tools are often used to extend and complete experimental investigations wich are limited because of high financial cost and ethical issues. Thus, the use of simulation to avoid thes limitations becomes essential in biomechanics investigations. Many numericalmodels of the thorax/abdomen system have been developped over the last two decades. In that framework, a finite element model of the human body, dedicated to high speed loadings, has been developed in the laboratory. In this context, the objective of this Ph.D Thesis is to investigate the consequences of such loadings on the human body and to contribute to the research of injuries criteria and tolerance limit definition.

Ce travail avait pour but l'obtention d'un modèle robuste permettant de prévoir l'état d'endommagement et l'érosion de panneaux composites impactés soumis à des projectiles pour des vitesses comprises entre 1000 m/s et 3500 m/s. Pour cela un nombre d'essais et d'observations importants a été réalisé au Centre d'Etude de Gramat. Une extension d'un méso-modèle d'endommagement développé principalement en statique a été proposée pour gérer, de façon objective la transition endommagement, rupture, érosion. Le modèle proposé a été testé numériquement au sein d'Abaqus, tout d'abord vis-à-vis de la détérioration matricielle, puis de la rupture des fibres. Une attention particulière a été portée aux d'effets d'énergie stockée sous forme de pécharge statique. Enfin des simulations des essais réalisés ont permis de montrer la robustesse numérique du modèle, sa pertinence en terme de prévision du cratère, des endommagements résiduels multiples mais également ses limites actuelles en terme d'arrachement de fibre.

Le travail de thèse de doctorat porte sur une étude complète du comportement dynamique de trois aciers de blindage soumis à des impacts balistiques. Dans un premier temps, afin de comprendre les phénomènes mis en jeu pendant la perforation de cibles fines, des essais de caractérisation du comportement thermo-viscoplastique et de rupture ont été réalisés. Les paramètres des lois de comportement et des critères de rupture ont été identifiés pour alimenter un modèle numérique simulant l'essai de perforation. La réponse des cibles impactées par des projectiles coniques a ensuite été évaluée à l'aide d'essais de perforation. Grâce à cette étude, il est possible de valider l'implémentation des lois et des critères réalisée dans des codes de calcul. Un dispositif de mesure des efforts d'impact et de perforation a donc été développé au cours de la thèse. Il fût montré que la mesure des efforts ainsi obtenue n'est pas intrinsèque au matériau impacté mais qu'elle dépend de la réponse globale du dispositif support-cible. Les résultats numériques issus de l’analyse par la méthode des éléments finis (MEF) ont été comparés aux résultats expérimentaux. Il a été observé un bon accord en terme de courbes balistiques, de modes de rupture, d’efforts dynamiques et de bilan énergétique. La modélisation numérique montre que seule une description précise du comportement mécanique des matériaux et de la rupture permet d'avoir une bonne représentation des performances balistiques des aciers étudiés. Une attention toute particulière a été portée sur l’influence de la tri-axialité des contraintes locales initiée par la forme de l’impactant, de la vitesse de déformation et de la température sur le seuil de déformation à la rupture. En perspective, les résultats issus de cette étude pourront servir dans l'analyse de la réponse des aciers de blindage sous chargements par explosif / The main aim of this PhD thesis is to develop a comprehensive study of the dynamic behavior of three armor steels subjected to ballistic impact. In order to have better understanding of the phenomena which take place during the thin targets perforation process, characterization experiments allowing to describe of the thermo-viscoplastic behavior and fracture were carried out. The identification of the constitutive relations and the failure criteria parameters allow to establish a numerical model simulating the perforation test. The ballistic response of armor steels subjected to the impact of conical projectiles was then assessed using perforation testing. This experimental investigation aims at endorsing the implementation of the behavior and fracture models in the calculation software. An experimental set-up for perforation forces measurements was specially developed during the thesis. It has been found that this dynamic force measurement is not intrinsic to the target material. It is rather dependent on the structural response of the used set-up support-target during impact and perforation. The numerical results from the Finite Elements Analysis (FEA) were compared to the experimental data and good agreement was found in terms of ballistic curves, failure patterns, impact forces and energy balance. Numerical investigations show that only an accurate description of the mechanical behavior and the fracture allows a good prediction of the ballistic performances of armor steels. Close attention was paid to the influence of local stress triaxiality induced by the projectile nose shape, strain rate and temperature on the strain to fracture threshold. In the future, these investigations can be used in the behavior analysis of armor steels subjected to blast loading

Depuis plusieurs décennies, l’évaluation des armes à létalité réduite (ALR) et des gilets pare-balles suscite l’intérêt majeur des forces de l’ordre autour du globe. En effet, ces armes présumées à létalité réduite ou non létales sont tenues d’occasionner uniquement une douleur suffisamment importante à un individu afin d’assurer sa neutralisation. Les gilets pare-balles, quant à eux, doivent garantir un certain niveau de protection pour réduire le risque de traumatismes lié à leur déformation dynamique. Le Centre de Recherche, d’Expertise et d’appui Logistique (CREL) du Ministère de l’Intérieur français a ainsi pour objectif le développement d’un outil de prédiction du risque lésionnel thoracique lors d’impacts balistiques non pénétrants. Cela permettrait alors d’évaluer les performances des ALR et des gilets pare-balles avant leur déploiement en théâtre d’opérations. Plus précisément, cette méthode doit uniquement être fondée sur la mesure directe du processus dynamique de déformation d’un bloc de gel synthétique soumis à un impact balistique. Pour répondre à ce besoin, l’approche numérique est considérée dans ces travaux de thèse par l’emploi du mannequin numérique du thorax humain HUByx comme un outil intermédiaire permettant la détermination de fonctions de transfert entre les mesures expérimentales sur un bloc de gel et le risque lésionnel. La reproduction de conditions d’impact réelles sur HUByx nécessite la caractérisation et la modélisation de projectiles ALR ainsi que de projectiles d’armes à feu et de gilets pare-balles. Elles reposent sur une procédure d’identification par méthode inverse appliquée à l’essai de Taylor pour la modélisation des ALR et à l’essai du cône dynamique d’enfoncement sur le bloc de gel pour celle du couple projectile/gilet pare-balles. Des travaux sont dédiés à la caractérisation mécanique et à la modélisation du gel synthétique sous sollicitations dynamiques. Enfin, une approche statistique basée sur des analyses de corrélation est introduite exploitant à la fois les mesures expérimentales, les données numériques ainsi que les rapports de cas de la littérature. Une cartographie du thorax associée au risque de fractures costales est établie et est uniquement fonction d’une mesure expérimentale. / For decades, the assessment of less-lethal weapons (LLW) and bulletproof vests has generated major interest from law enforcement agencies around the world. Indeed, these presumed less-lethal or non-lethal weapons are required to cause only significant pain to an individual to ensure their neutralization. Bulletproof vests, in turn, must provide a certain level of protection to reduce the risk of trauma related to their dynamic deformation. The Center for Research, Expertise and Logistics Support (CREL) of the French Ministry of the Interior aims to develop a tool to predict thoracic injury risk during non-penetrating ballistic impacts. It would therefore be possible to evaluate the performance of LLW and bulletproof vests before their deployment in operations. More precisely, this method must only be based on the direct measurement of the dynamic process of deformation of a synthetic gel block subjected to a ballistic impact. To address that issue, the numerical approach is considered in this thesis by the use of the human thorax dummy HUByx as an intermediate tool for the determination of transfer functions between experimental metrics on a gel block and the risk of injury. The reproduction of real impact conditions on HUByx thus requires the characterization and modeling of less-lethal projectiles as well as projectiles of firearms and bulletproof vests. They rely on an inverse method identification procedure applied to the Taylor test for modeling LLW and on the analysis of blunt impacts on the gel block for projectiles/bulletproof vests. Work is then dedicated to the mechanical characterization and modeling of the synthetic gel under dynamic loadings. Finally, a statistical approach based on correlation analyses is introduced using both experimental measurements, numerical data as well as case reports from the literature. A thorax mapping associated with the risk of rib fractures is established and only depends on an experimental metric.