Traitement numérique de la fissuration d'une structure navale - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2013

Numerical simulation of crack propagation in ship structure

Traitement numérique de la fissuration d'une structure navale

Abstract

This work is devoted to the numerical treatment of crack propagation inside a structure whose failure results from ductile damage. Three important points need to be considered : the material behaviour model, the representation of the crack inside the structure, the propagation method coupling both previous points. The study is made for 2D plane stain elements (PS), in the case of small perturbations. A dynamic analysis has been chosen with an implicit scheme using the finite element code Abaqus The material behaviour is described via a modified Gurson type model (GTNm), see Longère et al, Int. J. Dam. Mech. (2012), accounting for the combined effects of strain hardening, thermal softening, vsicoplasticity and void growth induced damage. The GTNm model has been implemented in Abaqus using an user subroutine (umat). To describe the kinematic consequences of the crack propagation across the mesh, we have retained the extended finite element method (X-FEM), see Moes et al, Int. J. Numer Meth. Engng (1999). The X-FEM has been implemented in Abaqus using an user subroutine (uel). To allow the coupling between the X-FEM and the non-linear material behaviour, some choices have been made, in particular for the form of the displacement field and the numerical integration. As Haboussa works, see Haboussa et al, Int. J. Numer Meth. Engng (2011), some measures are averaged inside a patch located near the crack tip to reduce the mesh size dependence of the numerical results. The originality of this work is the propagation method, with the aim of reproducing a failure driven by ductile damage. In first time, the potential crack propagation direction is identified using a bifurcation analysis in a frozen state. We supposed the crack propagated in the direction of strain localisation planes, as in the coalescence step. In second time, a crack propagation criterion based on the stored energy near the crack tip has been defined. If this energy reaches a critical value, we consider a crack propagation. The new crack growth length is computed using one of the two methods retain in our approach : an exhaustion method (MEPUI) and a method allowing to control the crack growth speed (MCVF). With the MEPUI, the crack propagates until the crack propagation. To test the both methods setting up in our study (MEPUI and MCVF), numerical simulations of notched plates have been conducted. While making some simplifications, the present work reproduces numerically the 2D propagation of a crack resulting from void growth induced damage.
Ce travail est dédié au traitement numérique de la fissuration au sein d'une structure dont la rupture résulte d'un endommagement ductile. Trois points importants sont ainsi à considérer : la modélisation du comportement du matériau, la modélisation de la fissure au sein de la structure, la méthode de propagation couplant les deux modélisations précédentes. L'étude est conduite en 2D en déformations planes (DP), dans le cadre des petites perturbations. Une procédure dynamique a été choisie avec un schéma de résolution implicite, en utilisant le code de calculs industriel Abaqus. Le comportement du matériau est modélisé via un modèle de type GTN modifié (GTNm), voir Longère et al, Int. J. Dam. Mech. (2012), prenant en compte les effets combinés de l'écrouissage, de l'adoucissement thermique, de la viscoplasticité et de l'endommagement ductile. Le modèle GTNm a été implanté en 2D DP dans Abaqus via une routine utilisateur (umat). Pour décrire les conséquences cinématiques de la présence d'une fissure au sein de la structure ainsi que de sa propagation, nous avons retenu la méthode des éléments finis étendus (X-FEM), voir Moes et al, Int. J. Numer Meth. Engng (1999). La méthode X-FEM a été implantée en 2D DP dans Abaqus via une routine utilisateur (uel). Afin de permettre le couplage entre la X-FEM et le comportement fortement non linéaire du matériau, certains choix ont dû être faits, notamment en ce qui concerne la forme du champ de déplacement enrichi ainsi que l'intégration numérique. Comme dans le travail de Haboussa et co-auteurs, voir Haboussa et al, Int. J. Numer Meth. Engng (2011), certaines grandeurs sont moyennées dans une pastille située en pointe de fissure dans le but d'atténuer la dépendance des résultats numériques au maillage. L'originalité de ce travail réside sans doute dans la méthode de propagation, dont le but est de reproduire une rupture induite par endommagement ductile. En premier lieu, la direction de propagation potentielle de la fissure est calculée via une analyse de bifurcation dans le cas d'un état matériau figé. Le principe est en effet de considérer que la direction de propagation de la fissure est la direction dans laquelle la déformation s'est localisée, comme c'est le cas dans la phase de coalescence Dans un second temps, un critère d'amorçage basé sur une énergie stockée en pointe de fissure a été défini. Si cette énergie dépasse une valeur critique, nous considérons que la fissure se propage. Nous calculons alors la longueur du nouvel incrément de fissure via une des deux méthodes retenues dans notre étude : une méthode dite par épuisement (MEPUI) et une méthode par contrôle de la vitesse de fissuration (MCVF). La MEPUI est basée sur le principe que la fissure se propage tant que le critère d'amorçage de la fissure est vérifié et est valable quelle que soit la vitesse de chargement de la structure. A contrario, la MCVF est basée sur la loi de Kanninen qui permet de contrôler la vitesse de fissuration et n'est valable que pour des vitesses de chargement élevées. Ces deux méthodes de propagation (MEPUI et MCVF) ont été implantées dans Abaqus via une routine utilisateur (uel). Afin de tester les deux méthodes mises en place dans notre étude (MEPUI et MCVF), des simulations numériques sur des plaques fissurées et entaillées ont été conduites. Considérant quelques simplifications, ce travail permet de reproduire la propagation d'une fissure dans une structure 2D dont la rupture résulte d'un endommagement par germination et croissance de cavités.
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Dates and versions

tel-01070096 , version 1 (30-09-2014)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01070096 , version 1

Cite

Jean-Philippe Crété. Traitement numérique de la fissuration d'une structure navale. Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]. Université de Bretagne Sud, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01070096⟩

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