Thèse Isite - Choc et Re-Choc dans les Matériaux Métalliques Poreux Fermeture Réouverture des Vides et Rupture par Écaillage Dynamique H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Lorraine École doctorale : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE Laboratoire de recherche : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux Direction de la thèse : Christophe CZARNOTA ORCID 0000000229577220 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-05T23:59:59 Les matériaux poreux sont largement utilisés pour leur capacité d'absorption d'énergie dans des applications de protection, notamment dans les secteurs aéronautique, de la défense et du transport. Sous chargement dynamique de type choc, leur réponse est principalement gouvernée par la fermeture des vides contrôlée à la fois par la sensibilité à la vitesse de déformation de la matrice et par les accélérations locales au voisinage des vides. Ces dernières sont à l'origine d'effets de micro-inertie qui, combinés aux effets viscoplastiques de la matrice, influencent fortement la réponse macroscopique du matériau (Molinari & Mercier, 2001; Sartori et al., 2015, 2016; Czarnota et al., 2020; Lovinger et al., 2021; Massarwa et al., 2024).

En parallèle, la rupture dynamique par écaillage (spall fracture), résultant d'ondes de traction issues de la réflexion aux surfaces libres lors d'un impact de plaques, constitue un mécanisme également contrôlé par les effets de micro-inertie et de viscoplasticité, impliquant cette fois nucléation, croissance et coalescence de vides (Antoun et al., 2003; Czarnota et al., 2008; Jacques et al., 2010; Virazels et al., 2025, 2026).

Si ces phénomènes ont été étudiés séparément, leur enchaînement lors de chargements successifs (choc puis re-choc) reste encore peu exploré.
Après un premier choc induisant une densification du matériau, une question fondamentale se pose :
Un matériau initialement poreux, compacté par un premier choc, se comporte-t-il comme un matériau dense lors d'un second choc ?

Cette problématique est centrale pour de nombreuses applications (protection, aéronautique, défense), où les matériaux peuvent subir des sollicitations dynamiques répétées.
Le projet vise ainsi à analyser les mécanismes couplés de :
- fermeture des vides sous choc,
- réouverture ou nucléation de nouveaux défauts sous re-choc,
- rupture dynamique par écaillage (spall fracture).

L'approche reposera sur un couplage étroit entre modélisation analytique, simulations numériques et comparaison avec des résultats expérimentaux obtenus en collaboration avec l'Université Carlos III de Madrid (UC3M) et IMDEA Materials Institute à Madrid.
Les matériaux poreux sont largement utilisés pour leur capacité d'absorption d'énergie dans des applications de protection, notamment dans les secteurs aéronautique, de la défense et du transport. Sous chargement dynamique de type choc, leur réponse est principalement gouvernée par la fermeture des vides contrôlée à la fois par la sensibilité à la vitesse de déformation de la matrice et par les accélérations locales au voisinage des vides. Ces dernières sont à l'origine d'effets de micro-inertie qui, combinés aux effets viscoplastiques de la matrice, influencent fortement la réponse macroscopique du matériau (Molinari & Mercier, 2001; Sartori et al., 2015, 2016; Czarnota et al., 2020; Lovinger et al., 2021; Massarwa et al., 2024).

En parallèle, la rupture dynamique par écaillage (spall fracture), résultant d'ondes de traction issues de la réflexion aux surfaces libres lors d'un impact de plaques, constitue un mécanisme également contrôlé par les effets de micro-inertie et de viscoplasticité, impliquant cette fois nucléation, croissance et coalescence de vides (Antoun et al., 2003; Czarnota et al., 2008; Jacques et al., 2010; Virazels et al., 2025, 2026).

Si ces phénomènes ont été étudiés séparément, leur enchaînement lors de chargements successifs (choc puis re-choc) reste encore peu exploré. L'originalité du projet repose sur l'étude du comportement de matériaux poreux soumis à des chargements dynamiques successifs (choc / re-choc), en intégrant les effets de micro-inertie et l'effet induit par la compaction initiale.

L'objectif est de développer un modèle analytique homogénéisé décrivant les mécanismes de fermeture des vides par compaction dynamique, puis leur réouverture jusqu'à la rupture par écaillage. Ce modèle sera implémenté dans le logiciel Abaqus/Explicit sous forme de VUMAT, afin de permettre sa confrontation à des essais expérimentaux d'impact de plaques.

Une attention particulière sera portée à l'analyse des signaux de vitesse en surface libre comme signature macroscopique des mécanismes opérant à l'échelle locale.
Le projet repose sur une approche intégrée combinant modélisation analytique, simulations numériques et interaction avec l'expérimental :
- Analyse critique de la littérature sur le choc, le re-choc et l'écaillage dans les matériaux denses et poreux ;
- Développement d'un modèle homogénéisé multi-échelle intégrant les effets de micro-inertie et l'évolution de la porosité ;
- Implémentation du modèle dans Abaqus/Explicit (VUMAT) ;
- Simulations numériques d'impact de plaques sous conditions de choc et de re-choc ;
- Analyse des mécanismes de compaction, d'endommagement et des signaux de vitesse de surface libre ;
- Validation du modèle par comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus chez les partenaires UC3M et IMDEA.