Études expérimentales et numériques d’impact sur matériaux métalliques

Études expérimentales et numériques d’impact sur matériaux métalliques 

Les matériaux métalliques sont parmi les plus utilisés pour de la protection face aux impacts. La dominance de cet aspect dans la littérature permet de relever les comportements et les mécanismes d’endommagements, ce qui rend facile l’alimentation des modèles numériques. Concrètement, plusieurs catégories de paramètres peuvent affecter les performances à l’impact telles que la vitesse du projectile, la géométrie des modèles et le choix des matériaux.

Effet de la forme du projectile sur les performances à l’impact 

La forme du projectile affecte significativement l’initiation et le faciès de rupture, ce qui se reflète concrètement sur les performances à l’impact et l’énergie absorbée. Plusieurs études numériques et expérimentales comparent les résultats obtenus avec différentes topologies de projectiles, notamment plats, pointus, hémisphériques, coniques arrondies, etc. Il convient également de mentionner que le choix des paramètres de forme et de diamètre affecte sensiblement les résultats des études.

En ce qui concerne la forme du projectile, la littérature rapporte des tendances relativement similaires lors des études des impacts sur plaques métalliques. Toutefois, certaines divergences sont observées : d’un côté, les projectiles plats provoquent la formation de bandes de cisaillement sous le projectile, ce qui initie concrètement la rupture. Ces derniers sont considérés comme étant les plus critiques (T Børvik & Al, 2002a, 2002b; Iqbal & Gupta, 2008).

D’un autre côté, les projectiles coniques arrondis peuvent être considérés légèrement moins critiques, étant donné qu’ils engendrent la formation d’une zone d’étirement puis une ouverture sous forme de pétales. Finalement, les projectiles hémisphériques engendrent une déformation des plaques, puis un amincissement en dessous du projectile. Il en résulte la formation et le détachement d’une partie circulaire, accompagnée de la formation de pétales. Les projectiles hémisphériques, de ce fait, sont considérés comme étant les plus favorables.

Gupta, Iqbal, et Sekhon (2007) ont montré que les mécanismes de rupture sont liés à l’absorption de grandes quantités d’énergie. Dans la même veine, l’étude menée par Corbett, Reid, et Johnson (1996) montre que l’énergie maximale absorbée par l’échantillon est obtenue lorsque le rayon du projectile est suffisamment grand pour modifier le mécanisme de la rupture par cisaillement à une rupture par traction.

L’épaisseur des plaques a également une influence significative sur la résistance face à des projectiles de forme spécifique (Iqbal & Gupta, 2008). En ce sens, les plaques épaisses (2 à 3 mm) offrent une meilleure résistance à l’impact avec un projectile arrondi, tandis que des plaques fines (< 1.5 mm) résistent mieux avec un projectile plat (Iqbal & Gupta, 2008).

Finalement, une tendance globale peut être dégagée à partir des travaux réalisés par Prosser, Cohen, et Segars (2000) et Lim, Tan, et Cheong (2002), qui concluent lorsque l’épaisseur cible augmente, l’effet de forme du projectile devient de moins en moins évident.

Effet de choix du matériau et de la géométrie des modèles sur les performances à l’impact 

L’étude des performances de structures métalliques face à l’impact a fait l’objet de plusieurs travaux dans la littérature, visant notamment à développer des modèles et analytiques, et numériques. Ces modèles sont bonifiés par un ensemble de simulations numériques récentes, qui viennent vraisemblablement complémenter les résultats .

Effet de choix des matériaux sur les performances à l’impact
En vue du balayage de la littérature, il est possible d’observer l’influence des propriétés mécaniques des matériaux sur les performances à l’impact. Les essaies de Tore Børvik, Clausen, Hopperstad, et Langseth (2004) et X Teng, Wierzbicki, et Huang (2008) montrent que l’utilisation de matériaux ductiles peut être favorable et avantageuses, en termes de résistance à l’impact. Il est possible d’expliquer ces résultats, entre autres, par le fait que les matériaux résistants sont généralement plus fragiles, ce qui engendre des casses prématurées. Par exemple, certains essais d’impact effectués sur des plaques en aluminium du type AA5083-H116 et de type AA7075-T651 de 20 mm d’épaisseur montrent différents résultats. En effet, malgré le fait que le second matériau soit plus résistant, et ait une limite élastique qui est égale au double du premier, sa limite balistique est toutefois 20% moindre. On peut concrètement en conclure que le comportement ductile de certains aluminiums joue vraisemblablement un rôle important, et qu’il peut également améliorer les performances à l’impact.

Effet de la géométrie des modèles
Les bénéfices de la stratification par rapport aux solutions monolithiques a fait l’objet d’un grand débat scientifique, dont par exemple les travaux de Corbett et al. (1996), Ben-Dor, Dubinsky, et Elperin (1999), Park, Yoo, et Chung (2005), Xiaoqing Teng, Dey, Børvik, et Wierzbicki (2007), Dey, Børvik, Teng, Wierzbicki, et Hopperstad (2007), X Teng et al. (2008) et Iqbal, Chakrabarti, Beniwal, et Gupta (2010). Toutefois, un consensus généralisé semble porter sur le fait que les avantages de la structure stratifiée ne sont pas clairement démontrés. Cela est expliqué par la multiplicité des paramètres d’essai, dont l’impact sur les résultats est significatif. À défaut d’être exhaustifs, les paramètres de masse, de forme, la vitesse projectile, ainsi que l’épaisseur et les caractéristiques du matériau testé sont énumérés. Il est toutefois possible de voir se dégager certaines lignes directrices dans ce contexte : Tout d’abord, il est possible d’observer que l’intérêt pour le délaminage dépend de l’épaisseur des cibles sur les plaques d’aluminium et d’acier. Les plaques d’acier homogènes donnent de meilleurs résultats à des épaisseurs plus faibles (moins de 3,5 mm) et ne sont pas aussi bonnes que les solutions stratifiées à des épaisseurs plus grandes (plus de 6 mm) (Corran, Shadbolt, & Ruiz, 1983). Dans l’expérience de Iqbal et Gupta (2008), une tendance similaire de l’aluminium peut être observée: des résultats homogènes entre les stratifiés et les matériaux homogènes avec une épaisseur totale inférieure à 1,5 mm, avec une plage de délaminage favorable de 1,5 mm ou 2,84 mm , selon le projectile utilisé.

La forme du projectile joue également un rôle important. Généralement, le stratifié est supérieur ou égal à la structure globale utilisée pour entrer en collision avec le projectile plat. Par exemple, Xiaoqing Teng et al. (2007) ont montré qu’en passant d’une structure monolithique à une structure à deux couches (la vitesse balistique est passée de 7% à 25%), la résistance à la perforation de la structure peut être améliorée.

Corran et al. (1983) ont montré que si la structure multicouche modifie la réponse globale de la plaque d’acier, alors le mécanisme de flexion et de cisaillement est changé en une réponse basée sur la traction et le comportement de la membrane. Les performances de la plaque d’acier laminé sont meilleures que celles de la plaque d’acier homogène.