Numerical simulation of fracture and thermal shock damage in brittle materials with consideration of dynamic effects

Le séchage ou le refroidissement induisent un rétrécissement des matériaux entraînant une contrainte thermique qui conduit à des fissures avec une morphologie particulière répétitive conduisant à la rupture par choc thermique. Par conséquent, pour pouvoir exploiter pleinement le potentiel des matériaux, il est essentiel de comprendre la formation, la morphologie, la propagation des fissures complexes et de prédire leurs amorçages dans les matériaux soumis à un choc thermique. En effet, ces fissures peuvent affaiblir le matériau et modifier sa résistance. La présente étude est consacrée à l'étude de l'évolution quasi-statique de l'endommagement et la rupture par choc thermique pour une structure cylindrique mince. Pour cela nous avons utilisé un modèle de gradient d'endommagement pour étudier ces fissures. Dans un premier temps, une étude comparative est réalisée sur différents modèles d'endommagement à gradients. Nous avons également effectué une étude sur l'algorithme utilisée pour identifier la nature de la solution pour laquelle il converge. On montre en particulier que la solution obtenue par la minimisation alternée est un minimum local de l'énergie totale : élastique+dissipée et que l'obtention du minimum global nécessite l'utilisation de l'algorithme Backtraking. Un cas d'exemple de traction d'une structure pré-fissurée est étudié pour analyser la propagation instable de la fissure. Nous avons ensuite étudié un problème d'endommagement dans lequel des propagations non régulières des fissures existent. Afin de comprendre ce phénomène, nous avons considéré les équations d'équilibre dynamiques en y incluant les termes inertiels. Des résultats numériques sont présentés et discutés afin de comparer les deux approches dynamique et quasi statique. Nous avons montré en particulier que la prise en compte des termes inertiels conduit à une propagation progressive au lieu de brutal de la fissure.Drying or cooling processes induce shrinking phenomenain of the materials. Those strains are induced by thermal stresses which may lead to cracks formation with a particular repetitive morphology. Therefore, in order to fully exploit the potential applications of thermal-susceptible materials, it is essential to understand the initiation, morphology and propagation of complex cracks. Indeed, thermal cracks make the material weaker and they modify its resistance. The aim of the present work is to study the quasi-static evolution of the damage induced by crack propagation and the thermal shock failure for a thin cylindrical structure. For this a damage gradient model was used to study these crack's behaviors. First, a comparative study is performed on different gradient damage models. We also performed a study on the algorithm used to identify the nature of the solution for which it converges. In particular, we show that the solution obtained by the alternating minimization is a local minimum of the total energy and to obtain the global minimum, the use of the Backtraking algorithm is needed. The case of traction of a pre-cracked structure was taken as example and it has been studied to analyze the unsteady crack propagation. Then, we studied the damage problem in which non-regular crack propagation exist. In order to understand this phenomenon, we have considered the dynamic equilibrium equations by including inertial terms. Numerical results are presented and discussed to compare the two dynamic and quasi-static approaches. We have shown in particular that taking into account the inertial terms leads to a progressive propagation instead of a brutal propagation of the crack