Micro-mechanical modelling of heterogeneous materials containing microcracks with Discrete Element Method (DEM) - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Micro-mechanical modelling of heterogeneous materials containing microcracks with Discrete Element Method (DEM)

Modélisation micromécanique de matériaux hétérogènes contenant des microfissures avec la Méthode des Eléments Discrets (MED)

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Abstract

This PhD is part of the Marie Skłodowska-Curie action ATHOR project (Advanced THermomechanical multiscale mOdelling of Refractory linings), supported by the European Commission. Refractories are heterogenous ceramics, resistant at high temperatures for which, in many cases, pre-existent microcracks within the microstructure play a key role in sustaining thermal shocks. The Discrete Element Method (DEM) is considered as a major numerical tool that can help, in future, to design high-performance microstructures. Thus, the present PhD is focused on numerical simulations of refractory ceramics by considering their microstructures, heterogeneities including cracks, and their influence on fracture mechanics. This work has been managed within a partnership with the company “ITASCA consultants”. Within the Particle Flow Code (PFC), as main numerical framework, the Flat Joint Model (FJM) is chosen since this contact model can mimic the microstructure of interlocked grains, like the microstructure of refractories. To develop numerical models that can help to investigate the role played by the microstructure in the macroscopic thermomechanical behaviour, it is essential to have an accurate micro to macro multiscale approach of each key physical properties for thermal shocks, starting with elastic properties. In this way, as DEM is not, at this stage, as robust as FEM, a periodic homogenisation approach is proposed for such continuum media. This approach has been validated by comparing the obtained results to model materials, analytical and FEM models. At mesoscale, a DEM model using a statistical approach to mimic the mechanical influence of pre-existing microcracks is investigated. This technique has also been validated by experimental mechanical data. Subsequently, to check the proposed DEM model applicability, Wedge Splitting Test (WST) simulations are managed to investigate the fracturing process and qualitatively compared to DIC experimental outputs. In the end, a discrete/continuous hybrid model is proposed to optimise the WST simulations in order to save computational time. These key results open very interesting new ways to use DEM in predicting the thermomechanical behaviour of heterogeneous materials containing numerous microcracks that could propagate simultaneously.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Européen ATHOR (Advanced THermomechanical Multiscale Modelling of Refractory Linings). Les matériaux réfractaires sont des céramiques hétérogènes, résistantes à des températures élevées pour lesquelles, dans de nombreux cas, des microfissures préexistantes au sein de la microstructure jouent un rôle clé dans la résistance aux chocs thermiques. La Méthode des Eléments Discrets (MED) est aujourd’hui considérée comme un outil numérique majeur qui peut contribuer, à l'avenir, à concevoir des microstructures plus performantes. Ainsi, cette thèse est dédiée à la simulation numérique de matériaux réfractaires intégrant leur microstructure, leurs hétérogénéités, ainsi que la présence de fissures, et leur influence sur le comportement mécanique macroscopique. Ces travaux ont par ailleurs été réalisés dans le cadre d'un partenariat avec la société "ITASCA consultants". Au sein de l’outil Particle Flow Code (PFC), utilisé comme plateforme numérique MED, le model de contact Flat Joint Model (FJM) a été choisi car celui-ci permet de modéliser des microstructures de grains imbriqués, analogues à celles des matériaux réfractaires. Afin de développer des modèles numériques permettant de décrire les relations entre la microstructure et le comportement thermomécanique macroscopique, il est essentiel de mettre en oeuvre une approche multi-échelles, micro à macro, précise pour chacune des propriétés physiques clés intervenant dans la tenue aux chocs thermiques, en commençant par les propriétés d’élasticité. Dans cet objectif, la MED n'étant pas, à ce stade, aussi robuste que la Méthode des Eléments Finis (MEF), une approche d'homogénéisation périodique est proposée pour des milieux continus. Cette approche a ici été validée en comparant les résultats obtenus à des matériaux modèles, des modèles analytiques et MEF. A l’échelle méso-scopique, un modèle MED utilisant une approche statistique pour imiter l'influence mécanique des microfissures préexistantes est mis en oeuvre. Cette approche a également été validée par des données mécaniques expérimentales. Par la suite, afin de vérifier l'applicabilité du modèle MED proposé, des simulations de Wedge Splitting Test (WST) sont proposées pour étudier le processus de fissuration et le comparer qualitativement aux résultats expérimentaux obtenus en DIC. Finalement, un modèle hybride discret/continu (MED/MVF) est proposé pour optimiser ces simulations de WST et réduire les temps de calculs. Ces résultats clés ouvrent de nouvelles voies très intéressantes d'utilisation de la MED pour prédire le comportement thermomécanique de matériaux hétérogènes contenant de nombreuses microfissures pouvant se propager simultanément.
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Dates and versions

tel-03420983 , version 1 (09-11-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03420983 , version 1

Cite

Farid Asadi. Modélisation micromécanique de matériaux hétérogènes contenant des microfissures avec la Méthode des Eléments Discrets (MED). Matériaux. Université de Limoges, 2021. Français. ⟨NNT : 2021LIMO0046⟩. ⟨tel-03420983⟩
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