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Theses Year : 2018

Modeling wave propagation in nonlinear solids with slow dynamics

Modélisation de la propagation d'ondes dans les solides non linéaires à dynamique lente

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Abstract

Geomaterials such as rocks and concrete are known to soften under a dynamic loading, i.e., the speed of sound diminishes with forcing amplitudes. To reproduce this behavior, an internal-variable model of continuum is proposed. It is composed of a constitutive law for the stress and an evolution equation for the internal variable. Nonlinear viscoelasticity of Zener type is accounted for by using additional internal variables. The equations of motion write as a nonlinear and nonhomogeneous system of conservation laws. This system of partial differential equations is solved numerically using finite-volume methods. An analytical solution to the Riemann problem of nonlinear elastodynamics is provided, which is used to benchmark the performances of the numerical methods. Numerical results are in qualitative agreement with experimental results from resonance experiments (NRUS) and dynamic acousto-elastic testing (DAET). Similar methods are developed in 2D to perform wave propagation simulations. In the framework of harmonic-based continuation methods, a numerical method is developed for the computation of periodic solutions. Based on a finite element discretization of the equations of motion, this frequency-domain method provides fast resonance simulations, which is useful to carry out experimental validations.
Les géomatériaux tels les roches et le béton ont la particularité de s’amollir sous chargement dynamique, c.-à-d. que la vitesse du son diminue avec l’amplitude de forçage. Afin de reproduire ce comportement, un modèle de milieu continu à variables internes est proposé. Il est composé d’une loi de comportement donnant l’expression de la contrainte, et d’une équation d’évolution pour la variable interne. La viscoélasticité non linéaire de type Zener est prise en compte par l’ajout de variables internes supplémentaires. Les équations du mouvement forment un système de lois de conservation non linéaire et non homogène. Le système d’équations aux dérivées partielles est résolu numériquement à l’aide de la méthode des volumes finis. Une solution analytique du problème de Riemann de l’élastodynamique non linéaire est explicitée. Elle est utilisée pour évaluer les performances des méthodes numériques. Les résultats numériques sont en accord qualitatif avec les résultats expérimentaux d’expériences de résonance (NRUS) et d’acousto-élasticité dynamique (DAET). Des méthodes similaires sont développées en 2D pour réaliser des simulations de propagation d’ondes. Dans le cadre des méthodes de continuation reposant sur la décomposition en harmoniques, une méthode numérique est développée pour le calcul de solutions périodiques. Sur la base d’une discrétisation éléments finis des équations du mouvement, cette méthode fréquentielle donne des simulations de résonance rapides, ce qui est utile pour mener des validations expérimentales.
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tel-01977206 , version 1 (10-01-2019)

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  • HAL Id : tel-01977206 , version 1

Cite

Harold Berjamin. Modeling wave propagation in nonlinear solids with slow dynamics. Acoustics [physics.class-ph]. Aix-Marseille Université, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01977206⟩
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