Le principal objectif de ce travail est l'étude de la fragmentation d'enveloppes métalliques. Cette thèse est divisée en quatre parties : la construction d'un modèle d'endommagement, l'implémentation numérique, la calibration des paramètres du modèle en utilisant des données expérimentales, et des travaux analytiques.Tout d'abord, nous avons considéré des modèles qui couplent les modèles d'endommagement classiques avec la plasticité et la dynamique. En utilisant l'énergie et l'action du système, nous avons obtenu toutes les équations qui décrivent le modèle dynamique et ductile : l'équation de la dynamique, le critère de plasticité et le critère d'endommagement. Nous avons ensuite détaillé l'implémentation numérique de ces modèles.Des résultats qualitatifs ont ensuite pu être obtenus, comme le nombre et la direction des fissures, ainsi que la convergence vers le modèle quasi-statique.Afin de mieux comprendre l'influence de chaque paramètre du modèle, nous avons étudié analytiquement le problème. A partir de l'observation de l'amplitude des perturbations, nous avons pu décrire comment obtenir une approximation analytique du nombre de fissures dans le cas d'un anneau en expansion.Cependant, pour être capable de simuler des problèmes réalistes, il est nécessaire de calibrer les paramètres du modèle. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement au cas des matériaux fragiles. Les données expérimentales ont été obtenues par une série d'expériences réalisée par le CEA.Afin d'empêcher la localisation de la déformation plastique dans des bandes d'épaisseur nulle, d'autres formes de régularisation ont été étudiées, comme par exemple, l'utilisation des propriétés dissipatives du champ de température.Enfin, nous avons conclu ce travail en proposant des modèles de plasticité où l'énergie dépend aussi du gradient de la déformation plastique (modèles de plasticité à gradient). / The main objective of this work was the study of the fragmentation of a metallic shell. This thesis is divided into four parts: construction of a damage model, numerical implementation, calibration of the model parameters using experimental data and analytical works.In this work, we considered a model that couples the standard gradient damage models with plasticity and dynamics. Using the energy and the action of the system, we could obtain all the equations necessary to describe the dynamic ductile model: the equations of dynamics, the plasticity criterion and the damage criterion. We then detail the numerical implementation of these models.Some qualitative behaviours are then obtained, such as the number and the direction of cracks, and the convergence to the quasi-static model.In order to better understand the influence of the parameters, we studied the problem analytically. By studying the amplitude of the perturbations, we describe how to obtain an analytic approximation for the number of cracks in a ring under expansion.In order to run realistic simulations, it is needed to calibrate the material parameters. We focus here on a simple case of brittle materials. The experimental data were obtained in a series of shockless spalling tests performed by the CEA.We also study other forms of regularization, now applied to the plastic strain, avoiding localization in zero-thickness bands.We considered using the dissipative properties of the temperature field to regularize the model. Finally, we conclude with plasticity models where we add a term depending on the gradient of the plastic strain (gradient plasticity models).

Le micro-écaillage est un mode de ruine apparaissant lorsqu'un matériau est soumis à une onde de choc non-soutenue suffisamment intense pour provoquer sa fusion. Les contraintes de traction générées à la réflexion de cette onde sur une surface libre se développent alors au sein d'un milieu liquide. Il en résulte un processus de fragmentation dynamique qui conduit à la création d'un nuage de fines gouttelettes. L'objectif de ce travail de thèse a consisté à étudier ce phénomène afin d'en proposer une modélisation physique, permettant en particulier une description du nuage de particules (distributions de tailles, de vitesses, état du liquide qui les compose). Le matériau retenu pour cette étude est l'étain. Le programme expérimental a permis de constituer une base de données de référence sur le micro-écaillage. Il a comporté des expériences d'impact de plaques et de choc laser permettant de réunir les conditions d'apparition du phénomène avec la mise en oeuvre de diagnostics variés et complémentaires.<br /><br />Une première approche théorique et numérique concerne la modélisation de la fragmentation dynamique au sein des liquides, et plus particulièrement la prédiction de la taille des gouttelettes générées. L'analyse de modèles existants fondés sur une approche énergétique globale, qui fournissent des ordres de grandeurs réalistes, conduit à la formulation d'un critère de fragmentation approprié au micro-écaillage finalement implémenté dans un code de calcul hydrodynamique. Les résultats des simulations réalisées apportent ainsi une première description du nuage micro-écaillé. En parallèle, une seconde approche de modélisation a pour objectif de mieux cerner les mécanismes physiques élémentaires mis en jeu lors du micro-écaillage. Motivée par des observations expérimentales, l'étude micro-mécanique d'une sphère creuse constituée d'étain liquide en expansion dynamique a pour but de décrire l'évolution de la cavitation au sein des métaux liquides et d'en déduire les conditions pour lesquelles celle-ci peut effectivement conduire à leur fragmentation. Certains résultats quantifiés de cette étude confortent les prédictions du modèle de fragmentation fondé sur une approche énergétique globale. Ces contributions pourront être mises à profit pour la construction d'une modélisation physique approfondie de la fragmentation des liquides.

Le but de cette thèse est de trouver une méthodologie numérique pour simuler le comportement et la fragmentation des matériaux quasi-fragiles, tels que les roches et le béton, sous sollicitations dynamiques. Une telle méthodologie aidera à une meilleure compréhension des mécanismes de fragmentation des roches à l'explosif et, par conséquent, contribuera dans l'optimisation des performances du tir à l'explosif. Dans cette étude, on considère que le processus de fragmentation est une extension naturelle de celui de la rupture. Afin de décrire ce dernier processus, un modèle de comportement phénoménologique adapté aux matériaux considérés est développé et implémenté dans un code de calcul par éléments finis. Quant à la fragmentation dynamique, elle est traitée par une analyse en post-traitement basée sur l'historique de l'état thermodynamique du matériau. Pour reproduire le comportement macroscopique des matériaux quasi-fragiles incluant l'anisotropie induite par le chargement, la méthode des variables internes basée sur la thermodynamique des milieux continus est employée. Une variable interne de type scalaire est introduite pour modéliser, au niveau macroscopique, l'adoucissement du matériau suite à des chargements de compression. Sous des chargements de traction, un tenseur symétrique du second ordre est utilisé pour décrire l'endommagement anisotrope induit. Sous des chargements complexes, ces deux modèles sont couplés et l'effet de fermeture-réouverture des fissures est également traité. L'intégration du modèle développé dans le code éléments finis VIPLEF3D a conduit à l'élaboration d'une méthode de relaxation caractérisée par une actualisation explicite des variables d'état. Concernant la fragmentation dynamique, à partir d'essais de fragmentation au laboratoire, une formulation générale permettant de prédire la distribution des fragments est fournie. Dans cette formulation une taille moyenne de fragments est liée à une grandeur mécanique, supposée être l'origine du processus de fragmentation, par une fonction intrinsèque qui peut être identifiée en utilisant des essais adéquats de fragmentation. Cette grandeur mécanique est donnée par la résolution du problème aux limites où le modèle rhéologique est utilisé. Enfin, l'approche complète est alors appliquée à la modélisation des essais de rupture et de fragmentation en chambre, d'échantillons cylindriques de roches.

Lorsqu’un matériau solide est soumis à un chargement dynamique (par l’impact d’un projectile, la détonation d’un explosif ou l’irradiation par un laser intense), il se forme une onde de choc, qui se propage dans le matériau depuis la surface chargée. Si cette onde débouche sur une surface libre comportant des défauts géométriques tels que des rugosités, des rayures ou des cavités, son interaction avec ces défauts conduit à l’éjection, sous forme de jets de matière, de débris dont la taille caractéristique est de l’ordre du micromètre et dont la vitesse est typiquement de quelques km/s. La maîtrise de ce processus, appelé microjetting ou micro-éjection, est essentielle pour de nombreuses applications (conception de blindage, découpe pyrotechnique, usinage à très haute vitesse, expériences de Fusion par Confinement Inertiel…). Dans le cadre de cette thèse, menée en collaboration avec le centre CEA de Bruyères-le-Châtel, ce phénomène est étudié dans quatre métaux (Aluminium, Etain, Cuivre et Plomb) à partir de rainures calibrées de deux types : triangulaires isolées de demi-angles d’ouverture contrôlés (20°, 30° et 45°) ou sinusoïdales périodiques. Les influences du matériau, de la forme et de l’ouverture des défauts, de la pression de choc et de l’état du milieu (solide ou fondu sous choc ou en détente) sur les propriétés balistiques des éjectas (vitesses de jet, distribution en taille et densité surfacique des débris constituant les jets) sont évaluées via trois approches complémentaires : expérimentale, théorique et numérique.L’étude expérimentale comporte plusieurs campagnes de chocs laser, effectuées sur l’installation LULI2000 du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (Ecole Polytechnique, Palaiseau), avec plusieurs techniques de diagnostic : Ombroscopie Transverse, Vélocimétrie Hétérodyne, radiographie X rapide in-situ, récupération d’éjectas dans des gels (analysés ensuite en microtomographie). Les résultats sont confrontés à des prédictions théoriques (hydrodynamique des chocs obliques et des charges creuses pour les rainures triangulaires, instabilités de Richtmyer-Meshkov pour les rainures sinusoïdales). Enfin, les simulations numériques réalisées avec le code Radioss utilisent deux approches complémentaires : les Eléments Finis Lagrangiens et la formulation SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics), encore très peu appliquée au microjetting, plus empirique que la première mais mieux adaptée aux grandes déformations dans les jets et permettant d’accéder à des distributions de tailles de fragments / When a dense material is subjected to a dynamic load (such as projectile impact, explosive detonation or irradiation by a high energy laser beam), a shock wave propagates from the loaded surface. If this shock wave interacts with a free surface with geometrical defects such as grooves, scratches or cavities, it can lead to the ejection of micrometric debris with typical velocities of a few km/s. Understanding this microjetting process is a key issue for many applications, including shielding design, pyrotechnics, high-speed machining and Inertial Confinement Fusion experiments.In this work in collaboration with the CEA-DIF at Bruyères-le-Châtel, this phenomenon is studied under laser-driven shock loading in four materials (Aluminum, Tin, Copper and Lead) with calibrated grooves of two types: isolated triangular profile with controlled aperture half-angles (20°, 30° and 45°) or periodic sinusoidal shape. The influences of the material, of the geometry of the defects, of the shock pressure and of the state of matter (solid or melted under shock or release wave) on the ballistic properties of the ejecta (jet velocity, size distribution and areal mass of the debris constituting the jet) are investigated with three complementary approaches: experimental, theoretical and numerical.The experimental study involves several campaigns performed at the LULI2000 facility of the Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (Ecole Polytechnique, Palaiseau) and complementary diagnostic techniques: Transverse Shadowgraphy, Heterodyne Velocimetry, fast in situ X-ray radiography, recovery of the ejecta in a gel followed by microtomography. The results are compared with theoretical predictions (2D shocks and shaped charges hydrodynamics for the triangular grooves, Richtmyer-Meshkov Instabilities for the sinusoidal grooves). Then, numerical simulations are performed with the Radioss code with two complementary approaches: the Lagrangian Finite Elements and the SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics) formulation, still very scarcely applied to microjetting, more empirical than the first approach but more suitable to the high strains in the jets and allowing access to size distributions of the debris.

Les céramiques sont couramment utilisées depuis les années 1960 comme matériaux constitutifs de blindages. En effet, grâce à leurs très bonnes propriétés physiques et mécaniques, elles permettent, pour un même niveau de protection, un gain de masse important par rapport aux blindages métalliques. Cependant, la microstructure d’une céramique peut avoir une forte influence sur sa résistance à l’impact. Le but de cette thèse est, à partir d’essais de caractérisation et en se basant sur l’utilisation de quatre nuances de carbure de silicium présentant des microstructures différentes, d’éclaircir les liens entre microstructure et performance à l’impact. Les campagnes expérimentales de compression dynamique et d’écaillage sont basées sur une utilisation innovante du moyen GEPI installé au CEA Gramat. Pour l’étude du comportement en compression dynamique des céramiques, il a permis d’utiliser la technique d’analyse lagrangienne et ainsi de remonter à l’évolution de la résistance des matériaux au cours du chargement. Pour les essais d’écaillage, il a permis, entre autres, une étude de la sensibilité à la vitesse de déformation de la résistance en traction dynamique. La caractérisation de la fragmentation dynamique est quant à elle basée sur des essais d’impact sur la tranche. Un essai innovant d’impact sur céramique préalablement fragmentée a également été dimensionné et réalisé. Ces différents essais expérimentaux ont permis de mettre en évidence et de comprendre l’influence de la microstructure du matériau sur son comportement face aux différents types de sollicitations. L’ensemble des résultats expérimentaux a été comparé à des simulations numériques permettant de valider les lois de comportement utilisées. Le modèle de fragmentation des matériaux fragiles DFH (Denoual-Forquin-Hild) a ainsi montré de très bonnes capacités à simuler le comportement des céramiques sous chargement de traction dynamique (écaillage et fragmentation) / Since the sixties, ceramics are commonly used as armour materials. Indeed, thanks to their interesting physical and mechanical properties, they allow a significant weight benefit in comparison to monolithic steel plate armours. However, the microstructure of the ceramic may have a strong influence on its penetration resistance. Based on characterisation tests and on the use of four silicon carbide grades, this work aims to highlight the links between the microstructure and the ballistic efficiency. Experimental compressive and spalling tests are based on the use of the GEPI device. For studying the compressive dynamic behaviour, it allows using the lagrangian analysis method and characterising the yield strength of the material. For studying the tensile dynamic behaviour, it allows assessing the strain-rate sensitivity of the spall strength. An analysis of the fragmentation process is performed based on Edge-On Impact tests. Moreover, an innovating impact test on fragmented ceramics has been designed and performed. The different experimental results allow a better understanding of the influence of the ceramic microstructure on its behaviour under the different loadings. All the experimental data have been compared to numerical results allowing validating the constitutive models. The DFH (Denoual-Forquin-Hild) damage model of brittle materials showed very good capacities to simulate the tensile dynamic behaviour of ceramics (spalling and fragmentation)