Étude du comportement mécanique de sphères creuses composites sous sollicitations dynamiques.Application à un bouclier de choc à l’oiseau

Abstract

Les structures de sphères creuses appartiennent à la famille des matériaux cellulaires qui ont récemment été étudiés pour leurs multiples propriétés. Dans le cas de cette thèse, le but des sphères creuses est de dissiper l’énergie d’impact d’un oiseau sur un cockpit d’avion. Elles sont développées dans le cadre du projet SAMBA (Shock Absorber Material for Birdshield Application) afin d’optimiser leur énergie spécifique absorbée (J/kg).Dans un premier temps, des essais quasi-statiques (v = 5 mm/min) et dynamiques (v = 2 m/s) de compression uni-axiale sont conduits à température ambiante sur une seule sphère creuse de diamètre 30 mm. Une propagation rapide de fissures macroscopiques est observée. Le formalisme de la Mécanique Élastique Linéaire de la Rupture (MELR) est utilisé pour estimer le taux de restitution d’énergie critique dynamique GIdc du matériau constitutif. La position du sommet de fissure est mesurée pendant la propagation de fissure à l’aide d’une caméra rapide. La Méthode des Éléments Discrets (DEM) permet de simuler la rupture dynamique en implémentant une technique de relâchement des nœuds. Le taux de restitution d’énergie GIdc peut être estimé à partir de l’histoire (position et temps) du sommet de fissure. Le modèle numérique montre que les structures sphériques dissipent une proportion importante de l’énergie par des effets dynamiques. A une même vitesse de propagation, plus l’épaisseur de coque est fine, plus les effets inertiels générés par la rupture sont importants et ce pour une même vitesse de propagation.Le modèle numérique DEM est ensuite employé pour reproduire la rupture dynamique sur une sphère creuse à l’aide d’un critère en contrainte seule ou un critère mixte en contrainte – énergie. Les bons résultats obtenus démontrent la capacité de la DEM à représenter la propagation de fissures en régime dynamique.Finalement, des essais numériques et expérimentaux multi-sphères sont réalisés afin évaluer le comportement des sphères creuses au sein d’un assemblage.