Contexte :

Les matériaux granulaires présentent une microstructure fortement hétérogène où la distribution granulométrique et le comportement mécanique des grains jouent un rôle prépondérant dans la localisation de l’énergie mécanique générée par un projectile lors de l’impact de la cible. Si les calculs d’impact réalisés à l’échelle macroscopique montrent un échauffement de l’ordre de 50°C, plusieurs centaines de degrés peuvent être obtenus localement. On parle alors de « points chauds ». Pour les matériaux granulaires énergétiques, cette élévation de température peut mener à un début de décomposition chimique exothermique et, plus tard, vers un régime de combustion violent. L’étude proposée a comme objectif de relier la sollicitation mécanique macroscopique au risque d’allumage local. L’étude proposée concerne plus particulièrement l’impact de structures contenant des matériaux organiques et énergétiques confinés dans un montage métallique. Les projectiles ont des vitesses comprises entre 50 et 500 m/s et des masses de 100 g à plusieurs dizaines de kilogrammes. Les premières observations microstructurales montrent que la sollicitation mécanique se localise dans des bandes de cisaillement dont la largeur est l’ordre de 200 à 500 μm. Un premier matériau étudié au CEA est constitué d’une distribution étendue de grains d’une même nature. La microstructure a été schématisée par deux phases : les plus gros grains représentant environ 50% de la distribution et la « matrice » constituée des plus petits grains, du liant (qqs %) et de la porosité (qqs %). A partir d’une approche « matériau numérique » à cette échelle, nous avons montré que la majeure partie de la déformation est encaissée par la « matrice ». La localisation de l’allumage (et donc le mécanisme de chauffage par frottement ou plasticité) doit être principalement recherchée dans cette phase. L’étude s’est poursuivie pour un second matériau contenant deux types de grains aux comportements différents et présents à part égale dans la composition. Un ensemble d’outils numériques a été mis en oeuvre pour réaliser les calculs 3D d’impact avec un solveur lagrangien aux éléments finis et un contrôle régulier et une optimisation de la qualité du maillage. Ces méthodes ont permis de simuler le cisaillement d’un cube de 200 μm de côté contenant quelques dizaines de grains (Voronoi) et d’observer la localisation des échauffements. Nous avons montré qu’une hétérogénéité de comportement permet déjà d’expliquer de forts échauffements. Cet effet a été constaté soit lorsque la microstructure comporte deux phases de comportement isotrope différent (2 modèles isotropes élastiques parfaitement plastiques), ou bien lorsqu’elle contient une seule phase dont le comportement plastique est anisotrope et initialement orienté aléatoirement.

Objectif du post-doctorat :

Le sujet confié au candidat à ce contrat post-doctoral comporte trois volets :

1. Volet thermique : il s’agira de compléter la démarche numérique déjà en place par une prise en compte de la diffusion thermique via la résolution de l’équation de la chaleur à l’échelle locale en tenant compte de la dissipation mécanique et de la chaleur dégagée par la décomposition exothermique. Le flux thermique libéré par les réactions chimiques permettra de détecter l’apparition d’un allumage au sein de la microstructure. Dans le cadre d’une démarche pas à pas, le couplage thermomécanique entre l’échauffement et les propriétés mécaniques sera négligé, le calcul thermique se réduisant alors à un post-traitement des simulations numériques mécaniques. Le champ de température devra être calculé y compris lors des calculs avec remaillage. Une réflexion sera menée quant à la prise en compte des propriétés thermiques anisotropes des cristaux dans ces simulations mésoscopiques.
2. Volet mécanique : il s’agira de compléter la base bibliographique du laboratoire dans le domaine du comportement thermo-mécanique des matériaux énergétiques à l’échelle de leurs constituants, puis d’étudier le rôle supplémentaire joué par l’anisotropie d’élasticité des grains. Il s’agit de simuler la réponse de polycristaux dont le comportement est composé d’une élasticité anisotrope et de la plasticité anisotrope déjà prise en compte. L’anisotropie doit être prise en compte tout au long du calcul, y compris lors des phases de remaillage. Enfin, le rôle de l’endommagement sera étudié. Une loi d’endommagement sera ajoutée à la partie élastique des modèles. Ce phénomène conduisant à un adoucissement du comportement pourrait influencer grandement la localisation des déformations et des efforts à l’échelle locale.
3. Volet applicatif : Pour quelques cas d’impact réalistes, déterminer la probabilité d’allumage d’un matériau en fonction des sollicitations et du comportement de ces constituants.

Contact :

Didier PICART – CEA/Le Ripault – BP 16 – 37260 Monts – 02 47 34 40 00