Modélisation micromécanique de l’endommagement ductile par une approche cohésive-volumique : application à l’UO2 irradié.

This work is interrested in simulating the local cracking of uranium dioxide during a postulated Reactivity Initiated Accident (RIA). More specifically, the present work addresses the modelling and the simulation of crack initiation and propagation in ductile materials which failed by void nucleation, growth and coalescence. One of the current research frameworks on crack propagation is the use of the cohesive-volumetric approach where the crack growth is modelled as decohesion of two surfaces in a continuum material. In this framework, the material behavior is characterized by two constitutive relations - the volumetric constitutive law relating stress and strain, and a traction-separation law across a two-dimensional surface embedded in the three-dimensional continuum. One specific idea to developed the cohesive model for ductile materials consist in determining the traction separation based on the behavior of a continuously-deforming unit cell failing by void growth and coalescence. Following this method, the present work proposes a cohesive model for ductile materials based on a micromechanical approach. The strain localization band prior to ductile failure is modelled as a cohesive band and the Gurson-Tvergaard-Needleman plasticity model (GTN) is used to describe the behavior of the cohesive band and to derive a corresponding traction separation law. The numerical implementation of the model has been performed using a multi-domain finite element approach where cohesive models are introduced as mixed boundary conditions between each volumetric finite element. The cohesive-volumetric approach is applied to simulate the brittle-ductile cracking of porous uranium dioxide fuels under postulated accident conditions.Le contexte de ce travail est relatif à la prédiction du comportement, notamment de la fissuration fragile-ductile du combustible nucléaire en dioxyde d'uranium UO2 lors d'un hypothétique accident d'insertion de réactivité (RIA). En particulier, la problématique abordée porte sur la modélisation et la simulation de l'initiation et de la propagation de fissure dans les matériaux ductiles qui s'endommagent par nucléation croissance et coalescence de cavités. La démarche globale de modélisation et de simulation adoptée repose sur une approche aux éléments finis cohésifs-volumiques couplant comportements volumiques à écrouissage positif et lois de traction-séparation adoucissantes décrivant le processus d'endommagement et de fissuration du matériau. Un modèle de zone cohésive pour les matériaux ductiles est proposé à partir de considérations micromécaniques. Le modèle de zone cohésive est déterminé via une projection dans une cinématique surfacique d'un modèle d'endommagement ductile volumique (le modèle de Gurson-Tveergaard-Needleman ou modèle GTN). Ce modèle de zone cohésive permet d'une part de retrouver avec un bon accord la réponse d'une cellule unitaire avec un comportement de type GTN et d'autre part de prendre en compte l'influence de la direction du chargement au voisinage de la fissure (triaxialité en contrainte ou en déformation) dans le comportement à rupture.Le traitement numérique de ce modèle de zone cohésive est réalisé dans le cadre d'une formulation éléments finis multicorps dans laquelle la loi cohésive représente une condition aux limites mixte entre éléments finis. L'application de l'approche cohésive-volumique à l'étude du combustible lors d'un transitoire de puissance de type RIA, a permise d'investiguer les mécanismes de fissuration fragile-ductile du combustible UO2 irradié, notamment dans la zone périphérique fortement irradiée