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Thèse Année : 2008

towards the characterization and modelling of micro-spalling in shock-melted tin

Contribution à la caractérisation et à la modélisation du micro-écaillage de l'étain fondu sous choc

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Résumé

When a material is subjected to an unsupported shock wave sufficiently intense to induce melting, tensile stresses produced upon reflection of this wave on a free surface are generated in a liquid state. As a consequence, a dynamic fragmentation process called micro-spalling occurs, leading to the creation of a cloud of fine droplets. This thesis aims at providing a better understanding of this phenomenon in order to develop a physical modelling. Experimental investigation, including plate impacts and laser-driven shocks on tin, provides fundamental data concerning the micro-spalling process. Theoretical and numerical analysis of existing fragmentation models based on global energetic approach leads to the formulation of a fragmentation criterion appropriate for micro-spalling that is implemented in a hydrocode. Computations provide a first description of the droplets cloud in terms of size and velocity distributions, as well as information about the state of the liquid and its evolution. In parallel, a second modelling approach aims at identifying the physical mechanisms responsible for fragmentation during the micro-spalling process. Cavitation, observed experimentally, is described by means of a hollow sphere model that allows defining the conditions for which the growth of micro-voids can lead to fragmentation in liquid metals. Quantitative results strengthen some predictions of the former fragmentation model based on energetic approach.
Le micro-écaillage est un mode de ruine apparaissant lorsqu'un matériau est soumis à une onde de choc non-soutenue suffisamment intense pour provoquer sa fusion. Les contraintes de traction générées à la réflexion de cette onde sur une surface libre se développent alors au sein d'un milieu liquide. Il en résulte un processus de fragmentation dynamique qui conduit à la création d'un nuage de fines gouttelettes. L'objectif de ce travail de thèse a consisté à étudier ce phénomène afin d'en proposer une modélisation physique, permettant en particulier une description du nuage de particules (distributions de tailles, de vitesses, état du liquide qui les compose). Le matériau retenu pour cette étude est l'étain. Le programme expérimental a permis de constituer une base de données de référence sur le micro-écaillage. Il a comporté des expériences d'impact de plaques et de choc laser permettant de réunir les conditions d'apparition du phénomène avec la mise en oeuvre de diagnostics variés et complémentaires.

Une première approche théorique et numérique concerne la modélisation de la fragmentation dynamique au sein des liquides, et plus particulièrement la prédiction de la taille des gouttelettes générées. L'analyse de modèles existants fondés sur une approche énergétique globale, qui fournissent des ordres de grandeurs réalistes, conduit à la formulation d'un critère de fragmentation approprié au micro-écaillage finalement implémenté dans un code de calcul hydrodynamique. Les résultats des simulations réalisées apportent ainsi une première description du nuage micro-écaillé. En parallèle, une seconde approche de modélisation a pour objectif de mieux cerner les mécanismes physiques élémentaires mis en jeu lors du micro-écaillage. Motivée par des observations expérimentales, l'étude micro-mécanique d'une sphère creuse constituée d'étain liquide en expansion dynamique a pour but de décrire l'évolution de la cavitation au sein des métaux liquides et d'en déduire les conditions pour lesquelles celle-ci peut effectivement conduire à leur fragmentation. Certains résultats quantifiés de cette étude confortent les prédictions du modèle de fragmentation fondé sur une approche énergétique globale. Ces contributions pourront être mises à profit pour la construction d'une modélisation physique approfondie de la fragmentation des liquides.
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Dates et versions

tel-00334320 , version 1 (24-10-2008)

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  • HAL Id : tel-00334320 , version 1

Citer

Loïc Signor. Contribution à la caractérisation et à la modélisation du micro-écaillage de l'étain fondu sous choc. Mécanique [physics.med-ph]. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00334320⟩
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