Caractérisation des paramètres de fissuration par un couplage corrélation d'images et éléments finis

Le travail de thèse consiste à développer un modèle permettant d analyser les problèmes de fissuration dans les matériaux en vue de prévoir leur intégrité et durabilité structurale. Dans ce modèle, deux techniques sont couplées pour exploiter l'observation expérimentale et la modélisation numérique par éléments finis afin de déterminer l'état mécanique et les propriétés de rupture en pointe de fissure. Une première partie de ce travail est consacrée à l analyse expérimentale utilisant la technique de corrélation d images numériques pour calculer, dans le voisinage du front de la fissure, les champs cinématiques de déformations. Le bruit expérimental inhérent aux données expérimentales et l incertitude de localisation du front de fissure nécessite de développer un traitement d'optimisation des champs de déplacement expérimentaux. Cette optimisation consiste à trouver une bonne corrélation entre les données expérimentales et la solution analytique asymptotique de Williams en utilisant une procédure itérative de Newton-Raphson basée sur les moindres carrés non linéaires. La conséquence de cette corrélation a permis de déterminer à la fois la position précise du front de la fissure et le champ cinématique de déplacement des lèvres de la fissure le plus proche de la réalité. L analyse cinématique permet alors de caractériser la cinétique de fissuration via les facteurs d intensité d ouverture de fissure. Une seconde partie est dédiée au développement d un algorithme numérique utilisé dans la caractérisation mécanique et énergétique sous le code de calculs par éléments finis Castem. Dans le cas d'une fissure stationnaire, le modèle numérique est sollicité par une force imposée, contrairement au travail expérimental ou le chargement se fait en déplacement imposé. Cette approche que nous avons qualifiée de statique montre que l amplitude de la singularité, caractérisée par le facteur d intensité des contraintes déterminé à partir du formalisme des invariants intégraux, est indépendante de la loi de comportement matérielle et est proportionnelle à l'amplitude en effort du chargement. Enfin, une dernière étape permet de reconstruire la totalité des propriétés de fissuration, tant cinématique, statique qu'énergétique. Cette reconstruction passe par le rapprochement des propriétés cinématiques fournies par l'analyse d'images et les propriétés en contrainte calculées par l'approche éléments finis. Ainsi, l'ensemble du protocole fait abstraction de la loi de comportement. De plus, le couplage cinématique et statique permet de déduire le taux de restitution d'énergie. Ce couplage permet au final de caractériser les propriétés élastiques locales qui peuvent, à termes, être employées pour alimenter une loi de propagation de fissure ou pour remonter aux propriétés globales d'élasticité du matériau employé. L'ensemble du travail est accompagné d'applications expérimentales et numériques pour des matériaux isotropes (PVC) et orthotrope (Douglas), les échantillons étant sollicités en modes d ouverture (I) et mixte (I+II).The thesis work consists in developing a model allowing analyzing crack problems in materials in order to predict their integrity and structural durability. In this model, two techniques are coupled to exploit the experimental observation and numerical modeling by finite elements in order to determine the mechanical state and the fracture properties into crack tip vicinity. A first part is dedicated to the experimental analysis using Digital Images Correlation to calculate, in the crack tip vicinity, the kinematics fields of deformations. The experimental noise inherent to the experimental data and the uncertainty of the crack tip localization require developing a procedure for measurements fields optimization. This optimization consists in finding a good correlation between the experimental data and the Williams asymptotic analytical solution based on the development of mathematical series of weighting coefficients, by using Newton-Raphson iterative procedure based on nonlinear least squares. The consequence of this correlation allowed determining at the same time, the crack tip position and kinematics field of crack lips displacement nearest to reality. The kinematic analysis then allows characterizing the kinetics of cracking via the crack opening intensity factors. One second part deals with the development, into the computer finite elements code Castem, of a specific numerical algorithm to the mechanical and energy characterization. In the case of a stationary crack, although the experimental tests are monitoring under machine displacement (correlated with the crack opening), the numerical model is defined by imposing a load given by synchronization between the testing machine and the images acquisition. This approach, that we described as statics (piloting in force or stress), shows that the amplitude of the singularity, characterized by the stress intensity factor which is determined from the integral invariants formalism, is not only independent of the material behavior law, but also proportional to the loading amplitude. Lastly, a last stage allows rebuilding the totality of the cracking properties, as well as kinematic, static and energetic. This rebuilding passes by the bringing together of kinematics properties provided by images analysis and stress properties calculated by finite elements approach. Thus, the whole of the protocol disregards law of behavior. Moreover, the kinematic and static coupling allows deducing the energy release rate. This coupling allows finally characterizing the local elastic properties which can, at terms, being employed to feed a crack propagation law or to go back to the global elasticity properties of the employed material. The whole of work is accompanied by experimental and numerical applications for isotropic (PVC) and orthotropic (Douglas) materials, the samples being subjected to tension in opening (I) and mixed (I+II) modes loading.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF