Vers une analyse multi-échelle de la fissuration dynamique des matériaux architecturés

Durant ces dernières années, on a vu un intérêt de plus en plus marqué pour de nouveaux matériaux avancés appelés matériaux architecturés. On s’intéresse à la fissuration de matériaux architecturés dans lesquels la séparation d'échelle n’est pas toujours bien établie. Ceci se traduit par de fortes interactions entre le front de la fissure et l’architecture du matériau indépendamment de l'échelle considérée. De plus, sous chargements dynamiques, des ondes élastiques entrent en jeu et les interactions entre le front de la fissure, les ondes élastiques et la microstructure pilotent ensemble le comportement global de la structure. Dans cette thèse, trois types de matériaux architecturés (microstructures) sont considérés : un réseau de trous périodique et deux réseaux quasi-périodiques type Penrose. L'analyse est divisée en trois parties. Pour étudier l'influence de la microstructure sur la propagation des fissures à différentes échelles, dessimulations numériques de rupture sont analysées ; ces simulations montrent une meilleure résistance des matériaux quasi-périodiques à la propagation des fissures. De plus, on développe une approche de changement d’échelle “bottom-up” qui n’a pas recours à la notion de volume élémentaire représentatif. Celle-ci permet donc une évaluation multi-échelle cohérente des propriétés effectives à la rupture des microstructures périodiques et quasi-périodiques. On montre ainsi l’inévitabilité de la prise en compte d'un milieu effectif non-homogène pour modéliser avec précision la réponse globale d’un matériau en tenant compte de sa sous-structure. En dynamique, une analyse de l'influence de l'architecture sur l'atténuation des ondes élastiques montre une meilleure performance des réseaux quasipériodiques. De plus, pour comprendre le ou les mécanismes régissant le phénomène de branchement dynamique dans un milieu homogène, un critère basé sur la mécanique de la rupture dynamique est développé et validé sur une nouvelle configuration expérimentale où l'imagerie à haute vitesse et haute résolution est combinée à la corrélation d'images numériques pour capturer les phénomènes marquants. Le rôle incontestable que joue la contrainte T dans le branchement dynamique est mis en avant. Cette thèse fournit ainsi les outils nécessaires à une analyse multiéchelle de la rupture dynamique des matériaux architecturés.Architectured materials are a rising class of materials that provide tremendous possibilities in terms of functional properties. Interest is drawn on the failure of architectured materials in which scale separation ceases to exist. This directly translates to strong interactions between a crack tip and the architecture independently of the considered scale. Moreover, under dynamic loadings, stress-waves come into play and interactions between the crack-tip, the microstructure (architecture) and the stress-waves eventually pilot together the structural behaviour. In this thesis, three types of architectured materials are considered: one periodic and two Penrose-type quasi-periodic lattices of holes. The analysis is broken into three parts. To study the influence of the microstructure on crack-propagat ion at different scales, numerical simulations of failure are analysed; they show improved resistance to crack propagation in the quasi-periodic materials. At the core of the work is also the development of a coarse-graining technique that requires no representative volume element. This technique allows for a physically consistent multiscale evaluation of the effective failure properties of the architectures. The inevitability of the consideration of a non-homogeneous effective medium to accurately model microstructural effects at larger scales is highlighted. In dynamics, the influence of the architectures on the stress-wave attenuation shows improved attenuation properties of the quasi-periodic lattices. Moreover, to understand the mechanism(s) governing the dynamic branching phenomenon in a homogeneous material, a criterion based on dynamic fracture mechanics is developed and validated on a novel experimental setup where Ultra-High-Speed-High- Resolution imaging is combined with Digital Image Correlation to capture extraordinary phenomena. The unquestionable role of T-stress in dynamic branching is put forth. This thesis brings forth the necessary tools towards a multi-scale analysis of dynamic failure of architectured materials