La génération d'un choc laser sur un système multi couche permet de solliciter l'interface en traction et de réaliser ainsi un test d'adhérence sans contact nommé LASAT (LASer Adhérence Test). Les seuils de rupture d'interfaces de divers systèmes métalliques ont été déterminés en utilisant des lasers de puissance couplés à un diagnostic VISAR. L'influence des paramètres de dépôt sur ces seuils est révélée par le procédé LASAT. La création des états de traction a été analysée pour optimiser la traction à l'interface par synchronisation des ondes. Ces résultats ont été confirmés numériquement avec les codes 1D SHYLAC et 2D/3D RADIOSS. La création d'états de traction par les effets de bords et leurs effets sur l'interface ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Les signaux expérimentaux ont été modélisés à l'aide des critères de rupture dynamique de Kanel ou de Tuler-Butcher ainsi que par l'utilisation de maillages réalistes des rugosités et des porosités de dépôts de cuivre élaborés par projection plasma.

L'objectif de ce travail est d'étudier le couplage thermomécanique dans les mécanismes de rupture dynamique notamment dans la loi de comportement. Le problème de propagation de fissure est étudié dans le cadre de la thermodynamique classique. Les conséquences du premier et second principe sont déduites, en particulier, il est montré que la pointe de fissure se comporte comme une source mobile. Les singularités puis les régularités de température sont discutées. En élastodynamique, l'expression asymptotique de la solution couplée est donnée en élasticité et conduction linéaire. En plasticité dynamique, la réponse mécanique et thermique est simulée pour le mouvement d'état d'équilibre instantané et le mode I de chargement. Le problème de fissure fixe est discuté sous l'hypot! hèse d'adiabaticité. Pour une restriction unidimensionnelle, les équations mécanique et thermique sont découplées dans toute la structure avec en pointe de fissure un couplage thermomécanique simplifié. Les résultats obtenus sont comparés aux observations expérimentales par des essais de flexion 3 points instrumentés thermiques.

Ce travail est dédié à l´étude et la simulation numérique de la rupture dynamique des séismes en deux et trois dimensions d´espace par une méthode d´éléments finis discontinus. Après avoir transformé le système de l´élastodynamique en un système hyperbolique symétrique du premier ordre, nous proposons un schéma numérique basé sur des flux centrés et un schéma explicite en temps de type saute-mouton. A travers l´étude d´une énergie discrète du système, nous spécifions les conditions aux limites sur la faille afin de prendre en compte de manière faible la rupture en mode cisaillant que nous traitons. Nous montrons, qu´en l´absence de tractions tangentielles sur la faille, cette énergie est parfaitement conservée. Nous illustrons la capacité de notre méthode à travers divers cas tests sur des configurations complexes grâce à une implémentation parallèle.

Le transport de l’hydrogène à l’utilisateur final est prévu à l’horizon 2020. Il présente les mêmes problèmes que les gaz de ville classiques du point de vue de la rupture dynamique des tuyaux mais le problème se complique encore car une couche barrière est nécessaire de sorte que les petites molécules H2 ne s’échappent pas. Les modes de rupture et leurs origines dans des tuyaux polymères multi couches sont très mal cernés, voire quasiment inconnus. L’objectif de la thèse est donc d’étudier la problématique de tuyaux polymères, à moyen terme multi couches et armés de fibres, ainsi que la rupture dynamique des matériaux composant ces tuyaux. Pour cela,une première partie est consacrée à la conception et à l’optimisation d’un système de chargement de tubes et une seconde à la détermination de la quantité totale de surface créée au passage de la fissure. Afin que la quantité totale de surface de rupture ne dépende pas de l’outil de mesure, il convient de modéliser la rugosité de surface. Une étude statistique, utilisant les outils développés par B.B. Mandelbrot pour les géométries fractales, permettra de savoir dans quelles mesures un modèle auto-affine est convenable. / The transport of hydrogen to the end user is expected in 2020. It presents the same problems as conventional city gas in terms of the dynamic fracture of pipes but the problem is further complicated because of a barrier layer which is necessary to ensure that small H2 molecules do not escape. The failure modes and their origins in polymer multilayer pipes are very poorly understood and almost unknown. The aim of the Ph.D thesis is to study the problematic of polymer gas pipes, multilayer and composite, as well as the dynamic fracture of materials of these pipes. For this, the first part is devoted to the design and optimization of an experimental system of loading pipes. The second part consists to determine post-mortem the total amountof created surface after rapid crack propagation. To prevent the dependence of the amount of fracture surface with the measurement tool, the surface roughness should be modelled. A statistical study of the fracture surface 2 roughness, using the tools developed by B.B. Mandelbrot for fractal geometries, will allow to know when a self-affine model is suitable.

Les résines époxy renforcées par des nodules thermoplastiques sont largement utilisées dans les matériaux composites à matrice organique de l’industrie aéronautique. Dans le cas particulier des stratifiés, les résines époxy déterminent la résistance du milieu inter-laminaire au délaminage. Ce processus de décohésion macroscopique apparaît classiquement lors d’un impact dynamique et compromet fortement l’intégrité des structures composites légères. Pourtant, les modèles cohésifs actuels ne sont pas prévus pour la simulation du délaminage sous sollicitation rapide. Notamment, l’influence présumée de la dynamique sur la rupture du milieu inter-laminaire riche en résine époxy n’est pas prise en compte. Par conséquent, cette recherche consiste à caractériser l’initiation et la propagation de fissure dans une résine époxy sous chargement dynamique. Dans cet objectif, des éprouvettes entaillées sont fabriquées à partir de la résine époxy Hexply RM21 spécifique du domaine aéronautique. Un protocole expérimental est développé et validé afin d’estimer les ténacités d’initiation et de propagation d’une éprouvette chargée en flexion 3-points par un vérin hydraulique. Les essais réalisés démontrent que la ténacité dynamique augmente fortement avec la vitesse de propagation de fissure, à l’inverse de la ténacité d’initiation qui diminue avec la vitesse d’impact. Ces évolutions sont cohérentes avec les micrographies réalisées post-mortem qui présentent une augmentation des mécanismes de rupture. Finalement, une loi cohésive est définie et identifiée pour prendre en compte l’influence de la dynamique sur l’initiation et la propagation d’une fissure dans la résine époxy étudiée. / Epoxy resins toughened with embedded thermoplastic particles are classically used in the aeronautical composites manufacturing. As matrix into laminated composites, epoxy resins determine the delamination resistance of the interlaminar field. The delamination process is a large decohesion that often occurs during impact loadings and it critically compromises the integrity of the light weight composite structures. However, most of the cohesive zone models are not intended to simulate delamination under high rate loadings. In particular, these models do not consider the expected effects of loading rate on fracture behaviour of the resin-rich interlaminar field. Therefore, this research aims at characterizing crack initiation and propagation in epoxy resins under dynamic loadings. For that purpose, we manufacture notched specimens made of pure Hexply RM21 epoxy resin which is mainly used in aeronautics. An experimental procedure is developed and validated in order to estimate initiation and propagation fracture toughness on a 3-points bending test associated to a servo-hydraulic testing machine. Experimental results demonstrate that the dynamic fracture toughness highly increases with the crack propagation speed while the initiation toughness decreases with the impact velocity. These evolutions are consistent with post-mortem micrographic observations that show intensifying fracture mechanisms. Finally, a cohesive law is defined and identified to take into account the dynamic dependency of crack initiation and propagation in the considered epoxy resin.

Une bonne tenue mécanique des structures du génie civil en béton armé sous chargements dynamiques sévères est primordiale pour la sécurité et nécessite une évaluation précise de leur comportement en présence de propagation dynamique de fissures. Dans ce travail, on se focalise sur la modélisation constitutive du béton assimilé à un matériau élastique-fragile endommageable. La localisation des déformations sera régie par un modèle d'endommagement à gradient où un champ scalaire réalise une description régularisée des phénomènes de rupture dynamique. La contribution de cette étude est à la fois théorique et numérique. On propose une formulation variationnelle des modèles d'endommagement à gradient en dynamique. Une définition rigoureuse de plusieurs taux de restitution d'énergie dans le modèle d'endommagement est donnée et on démontre que la propagation dynamique de fissures est régie par un critère de Griffith généralisé. On décrit ensuite une implémentation numérique efficace basée sur une discrétisation par éléments finis standards en espace et la méthode de Newmark en temps dans un cadre de calcul parallèle. Les résultats de simulation de plusieurs problèmes modèles sont discutés d'un point de vue numérique et physique. Les lois constitutives d'endommagement et les formulations d'asymétrie en traction et compression sont comparées par rapport à leur aptitude à modéliser la rupture fragile. Les propriétés spécifiques du modèle d'endommagement à gradient en dynamique sont analysées pour différentes phases de l'évolution de fissures : nucléation, initiation, propagation, arrêt, branchement et bifurcation. Des comparaisons avec les résultats expérimentaux sont aussi réalisées afin de valider le modèle et proposer des axes d'amélioration. / In civil engineering, mechanical integrity of the reinforced concrete structures under severe transient dynamic loading conditions is of paramount importance for safety and calls for an accurate assessment of structural behaviors in presence of dynamic crack propagation. In this work, we focus on the constitutive modeling of concrete regarded as an elastic-damage brittle material. The strain localization evolution is governed by a gradient-damage approach where a scalar field achieves a smeared description of dynamic fracture phenomena. The contribution of the present work is both theoretical and numerical. We propose a variationally consistent formulation of dynamic gradient damage models. A formal definition of several energy release rate concepts in the gradient damage model is given and we show that the dynamic crack tip equation of motion is governed by a generalized Griffith criterion. We then give an efficient numerical implementation of the model based on a standard finite-element spatial discretization and the Newmark time-stepping methods in a parallel computing framework. Simulation results of several problems are discussed both from a computational and physical point of view. Different damage constitutive laws and tension-compression asymmetry formulations are compared with respect to their aptitude to approximate brittle fracture. Specific properties of the dynamic gradient damage model are investigated for different phases of the crack evolution: nucleation, initiation, propagation, arrest, kinking and branching. Comparisons with experimental results are also performed in order to validate the model and indicate its further improvement.

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.<br />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).<br />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.

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

Les phénomènes liés au comportement à la rupture de la glace sous impact sont fréquents dans le génie civil, pour les structures offshore, et les processus de dégivrage. Pour réduire les dommages causés par l'impact de la glace et optimiser la conception des structures ou des machines, l'étude sur le comportement à la rupture dynamique de la glace sous impact est nécessaire. Ces travaux de thèse portent donc sur la propagation dynamique des fissures dans la glace sous impact. Une série d'expériences d'impact est réalisée avec un dispositif de barres de Hopkinson. La température est contrôlée par une chambre de refroidissement. Le processus dynamique de la rupture de la glace est enregistré avec une caméra à grande vitesse et ensuite analysé par des méthodes d'analyse d'images. La méthode des éléments finis étendus complète cette analyse pour évaluer la ténacité dynamique. Au premier abord, le comportement dynamique de la glace sous impact est étudié avec des échantillons cylindriques afin d'établir la relation contrainte-déformation dynamique qui sera utilisée dans les simulations numériques plus tard. Nous avons observé de multi-fissuration dans les expériences sur les échantillons cylindriques mais son étude est trop difficile à mener. Pour mieux comprendre la propagation des fissures dans la glace, des échantillons rectangulaires avec une pré-fissure sont employés. En ajustant la vitesse d'impact on aboutit à la rupture des spécimens avec une fissure principale à partir de la pré-fissure. L'histoire de la propagation de fissure et de sa vitesse sont évaluées par analyse d'images basée sur les niveaux de gris et par corrélation d'images. La vitesse de propagation de la fissure principale est identifiée dans la plage de 450 à 610 m/s ce qui confirme les résultats précédents. Elle varie légèrement au cours de la propagation, dans un premier temps elle augmente et se maintient constante ensuite et diminue à la fin. Les paramètres obtenus expérimentalement, tels que la vitesse d'impact et la vitesse de propagation de fissure, sont utilisés pour la simulation avec la méthode des éléments finis étendus. La ténacité d'initiation dynamique et la ténacité dynamique en propagation de fissure sont déterminées lorsque la simulation correspond aux expériences. Les résultats indiquent que la ténacité dynamique en propagation de fissure est linéaire vis à vis de la vitesse de propagation et semble indépendante de la température dans l'intervalle -15 à -1 degrés. / The phenomena relating to the fracture behaviour of ice under impact loading are common in civil engineering, for offshore structures, and de-ice processes. To reduce the damage caused by ice impact and to optimize the design of structures or machines, the investigation on the dynamic fracture behaviour of ice under impact loading is needed. This work focuses on the dynamic crack propagation in ice under impact loading. A series of impact experiments is conducted with the Split Hopkinson Pressure Bar. The temperature is controlled by a cooling chamber. The dynamic process of the ice fracture is recorded with a high speed camera and then analysed by image methods. The extended finite element method is complementary to evaluate dynamic fracture toughness at the onset and during the propagation. The dynamic behaviour of ice under impact loading is firstly investigated with cylindrical specimen in order to obtain the dynamic stress-strain relation which will be used in later simulation. We observed multiple cracks in the experiments on the cylindrical specimens but their study is too complicated. To better understand the crack propagation in ice, a rectangular specimen with a pre-crack is employed. By controlling the impact velocity, the specimen fractures with a main crack starting from the pre-crack. The crack propagation history and velocity are evaluated by image analysis based on grey-scale and digital image correlation. The main crack propagation velocity is identified in the range of 450 to 610 m/s which confirms the previous results. It slightly varies during the propagation, first increases and keeps constant and then decreases. The experimentally obtained parameters, such as impact velocity and crack propagation velocity, are used for simulations with the extended finite element method. The dynamic crack initiation toughness and dynamic crack growth toughness are determined when the simulation fits the experiments. The results indicate that the dynamic crack growth toughness is linearly associated with crack propagation velocity and seems temperature independent in the range -15 to -1 degrees.