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Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Partie 4 A: Problèmes d ’inclusions Opérateurs de Green • 1 - Inclusion en milieu infini • 1.1 problème homogène, • 1.2 problème inhomogène et tenseur d'influence de Hill, • 1.3 problème inhomogène avec chargement à l'infini, • 1.4 estimation aux faibles concentrations. • 2 - Opérateur de Green • 2.1 solution élémentaire en milieu infini, • 2.2 opérateur de Green modifié, • 3 - Bilan ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 107 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Motivations Solution pour une inclusion dans un milieu • Inclusion - Eshelby • Opérateur de Green • Tenseur de localisation Homogénéisation des milieux à distribution aléatoires estimations d’ordre 1et 2 Idée : connaître la solution pour une inclusion dans un milieu de nature différente connaître la solution d’une inclusion, possédant des déformations initiales, constituée du même matériau que le milieu ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 108 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 1. Inclusion dans un milieu 1.1 Problème de l’inclusion homogène - Eshelby Utilisation des déformations libres - scénario d ’Eshelby • Rappel : déformation libre = déformation d’un milieu sans générer de contraintes, si le milieu est libre de changer de morphologie • dilatation volumique résultant d’une élévation de température • déformations résiduelles, plasticité, ... • Inclusion : déformation libre dans l’inclusion t(x I) t x 1 2 I t t (x I) = (x) I(x), x V déformation totale dans l’inclusion (mesurable) I 3 V (domaine) t ij (x) = ij (x) + ij (x) I Totale Compatible Libre ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 109 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Solution proposée par Eshelby (1957) I 0 I t 0 I 0 I V t 0 0 I I 0 I I État naturel initial relaxé SE : tenseur d'Eshelby t : déformation libre homogène V t : ES I ) t I ( : IL I 0 0 V I Incompatibilité de déformation 0 0 I Équilibre final V : milieu infini I : inclusion L : tenseur des modules du milieu infini ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 110 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Problème formulé par Eshelby (1957) ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 111 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Problème homogène L’inclusion I a les mêmes propriétés que le milieu V qui l’entoure I 1 • Les déformations doivent être compatibles u(x) \ ij = (ui,j + uj,i) 2 • d’où l’expression des contraintes (en utilisant la symétrie de L) : t ij(x) = Lijkl (uk,l(x) - kl (x) I), x V • et l’équilibre statique : t Lijkl uk,lj(x) - Lijklkl,j (x) I = 0, x V t Lijkl uk,lj(x) + fi =0, x V en posant fi = - Lijklkl,j (x) I Efforts qu’il faut imposer sur la frontière de l‘inclusion pour la ramener à une forme compatible ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 112 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ t t : S E I ) t I ( : L I ) ( : L t I I 0 0 V : ES I V t Fi = Lijklkl nj n I I A résoudre Lijkl uk,lj(x) =0, x V t ij nj = Fi = Lijklkl nj I x I ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 113 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Résolution : fonction de Green en élasticité linéaire u(x) x x' 1 2 3 V f(x’) Fonction de Green : gij(x-x') permet d ’exprimer le déplacement u(x) dans la direction xi résultant de l’application d'une force unitaire f en x' dans la direction xj ui(x) = gij(x-x') fj(x') Eshelby ui(x) = gij(x-x') fj(x') dx' = gij(x-x') Fj(x') dx' I I On montre pour Eshelby : pour un milieu non contraint 1 t ij (x) = - 2 Lklpq g (x-x') dv' + g (x-x') dv' jk,li ik,lj pq I I E t Cadre mathématique au §2.1 ij (x) = Sijpq pq ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 114 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Propriétés du tenseur d’Eshelby : • tenseur du 4ieme ordre E E • partiellement symétrique Sijkl = Sjikl = Sijlk mais Sijlk Sklij E E E • expressions analytiques dans les cas simples : ellipsoïde isotrope, déformation uniforme dans l’inclusion Dépend uniquement du coefficient de Poisson et des facteurs géométriques de l’inclusion ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 115 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Tenseur d’Eshelby d l 1 2 3 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 116 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 1 2 3 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 117 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Généralisation Pour généraliser la démarche précédente, on peut passer par la polarisation • Équation de comportement dans l'inclusion : I = L:I + t t : tenseur de polarisation (symétrique) tel que t-L:t Contrainte qui apparaîtrait dans l’inclusion si après la transformation (thermique, …) on bloquait la déformation • Autres tenseurs (Hill, 1965) • Déformation dans l'inclusion : I = -P:t • Contrainte dans l'inclusion : I = -Q:t • Propriétés de P (plus intéressantes que SE) (P = SE :L-1 = SE:M) (Q = L - L:P:L) symétrique, défini positif ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 118 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 1.2 Problème inhomogène et tenseur d'influence de Hill (L*)² Extension de la solution d’Eshelby homogène (ellipsoïdale) • LI=L+DLI V Symétrique non nul, mais pas forcément défini positif I LI L • t : polarisation = contrainte correspondant à t si inclusion seule, i.e. sans matériau V\I = L: dans V\I I= L:I + t’ dans I, = L:I + DLI:I + t C.A. dans V S.A. dans V t = -LI : t ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 119 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Hypothèse : champ de polarisation homogène dans l’inclusion déformation constante dans l’inclusion Eshelby I = -P : t’ L*=P-1-L = (SE:M)-1 -L I = - [L* + LI ]-1 : t Tenseur d’influence de Hill • L* exprime la réaction du milieu infini sur l'inclusion en réponse à la déformation que celle-ci lui impose, (illustration ci-après) • tenseur symétrique, défini positif, de la dimension des modules d’élasticité • dépend uniquement des modules du milieu et de la géométrie de l’inclusion ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 120 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Interprétation du tenseur d ’influence de Hill : On vérifie V n u=.x I u=.x T=(-L*:).n T=(L:).n I= -L*:I n I L L Effort à imposer pour induire un déplacement u Cavité dans un milieu Élément de matière Si l’inclusion est beaucoup plus rigide que le milieu , on montre que I -1 t t - [M*] : = - L*: L’inclusion impose sa déformation libre au milieu (la part d ’origine ‘élastique’ de la contrainte est négligeable) ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 121 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 1.3 Problème inhomogène avec chargement à l'infini = L: dans V\I I= L:I + t’ dans I, avec LI = L+DLI o= L:o chargement à l'infini C.A. dans V S.A. dans V • Élasticité linéaire : superposition des champs macro aux solutions I - o=-L*:[I - o] (une seule inclusion inhomogène noyée dans le milieu infini) • Déformation et contraintes homogènes dans l’inclusion : I = -P:t’ + o I = - LI:P:t’ + LI o + o ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 122 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Remarque : inhomogénéité et Eshelby avec chargement à l ’ La solution précédente s’applique au cas où la déformation est COMPATIBLE (la déformation libre est nulle) I - o= -L*:[I - o] dans V\I I= LI:I dans I o= L:o chargement à l'infini C.A. dans V S.A. dans V I = [L*+ LI]-1:[L*+L]:o • Remarques : x ij(x) Aijkl (x) Ekl Localisation • Solution indépendante des propriétés mécaniques de l’inclusion : L*=L:[(SE)-1-I] ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 123 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 1.4 Plusieurs inclusions Eshelby avec 2 inclusions disjointes (centrées en xi) subissant une transformation homogène caractérisée respectivement par t1 et t2 V (t1;t2) I1 I2 C.A. dans V (dérive d'un champ de dép.) 0 loin de (I1 I2) = L: dans V\(I1 I2) I1 = LI1: + t1 dans I1 I2 = LI2: + t2 dans I2 S.A. dans V Équations linéaires Superposition : (t1 = t;t2 = 0) + (t1 = 0;t2 = t) (t1;t2) ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 124 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ Solution x V, (x) = - g1(x-x1):t1 - g2(x-x1):t2 polarisation dans I1 polarisation dans I2 Effets des polarisations Dans I1 par exemple : déformation = déf. homogène induite par t1 + effet à distance de t2 (déf. Inhomogène) Généralisation • Généralisation possible avec plusieurs inclusions homogènes • Pas de généralisation possible avec plusieurs inhomogénéités car = Li : + ti = L : +[( Li - L ): + ti] t’i n’est pas constant dans Ii: varie ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 125 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ • Problème inhomogène à une inclusion : x V, (x) = - g(x-x0):t0 Déformation homogène dans Io • Plusieurs inclusions et chargement à l'infini : x V, (x) = 0 - n gi(x-xi):ti i=1 Déformation non homogène dans Ii ti : polarisation due à l'inclusion Ii xi : centre de l'inclusion Ii gi : tenseur symétrique dépendant de L et de la forme de Ii ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 126 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 1.5 Estimation aux faibles concentrations Inclusions distantes les unes des autres : (milieu infini=matrice) • seule la polarisation de l'inclusion sur elle même est considérée • milieu = VER, L = Lm , LI = Li Déformation homogène dans une inclusion : déf. macroscopique i =[L* m + Li]-1:[L*m+L]:E Cas d'un composite à particules (fraction volumique ci) : contrainte macroscopique : = Lm : E+ <[L - Lm]:>VER Tenseur des modules effectifs (estimation au 1er ordre) : LFC = Lm + ci [Li- Lm]:[L*m + Li]-1:[L*m+Lm] Lm : tenseur des modules de la matrice Li : tenseur des modules des inclusions L*m : tenseur d’influence construit à partir des modules de la matrice et des formes des inclusions ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 127 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 2. Opérateur de Green 2.1 Solution élémentaire (g) de l ’élasticité en milieu infini Soient xV et o(x) S.A. , avec fo un effort constant appliqué sur le volume v centré en xo. On a uo(x), o(x) C.A., et uo0, o0 loin de xo. Linéarité et invariance des champs par translation donc : g tel que uo(x) = g(x-xo).fov o(x) = h(x-xo).fov o(x) = L:h(x-xo).fov g : opérateur de Green = distribution de tenseurs d'ordre 2 h : champ de tenseur d'ordre 3 1 dg jk dg ik (x ) + (x ) h ijk (x ) 2 dx i dx j ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 128 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 2.2 Opérateur de Green modifié, solution d'un problème d'élasticité Soient (x) S.A. avec f et (x) C.A. tels que : (x) = L:(x) + t(x) PTV avec (u, ) et o : (x ) : (x )dx u(x ).f v o o o V PTV avec (uo, o) et : (x ) : (x )dx u (x ).f (x )dx o V - o V u (x o ) h ' (x o x ) : t(x )dx + g(x o x ).f (x )dx v v (x o ) ( x o x ) : t( x )dx + h ( x o x ).f (x )dx V opérateur de Green modifié en déformation dérivations h'ijk(x)=hjki(-x) V dh ' jkl 1 dh 'ikl (x ) + (x ) ijkl (x ) 2 dx j dx i Donne le champ de déplacement dû à une polarisation élémentaire tv en xo ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 129 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 2.3 Problème d'inclusions Soit une inclusion I de forme ellipsoïdale dans un domaine V, I centrée à l'origine, t la polarisation homogène dans I alors : x V, (x ) (x y)dy : t I 1 Propriétés de pour tout x0 : ijkl = - symétrique 4 - homogène de degré -3 - faible variation loin de l'origine, singularité en 0 • Eshelby - rappel : polarisation ( gil,jk + gik,jl + gjl,ik + gjk,il) t-L:t -1 1 1 (x) = - L [ gik,lj(x-x') + gjk,li(x-x')] dv' : (-L : t) = [ gik,lj(x-x') + gjk,li(x-x')] dv' : t 2 2 I I En symétrisant / (i,j), (k,l), on retrouve ijkl ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 130 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ 3. Bilan polarisation 1/ Eshelby inclusion t : S E I V ) t I ( : L I I = L:I + t solution I = -P:t I 2/ Problème inhomogène (LI,L) et tenseur de Hill Tenseur d’influence de Hill L*=P-1-L = (SE:M) -1 -L I= L:I +t’ I= -L*:I 3/ Inhomogénéité et Eshelby avec chargement à l ’ o, o V I - o=-L*:[I - o] Déformation libre nulle LOCALISATION I I = [L*+ LI]-1:[L*+L]:o ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 131 Méthodes de Changement d’Échelle : Inclusions - Homogénéisation des Milieux Aléatoires _______________________________________________________________________________________________________________________________ L’essentiel I - o=-L*:[I - o] x ij(x) Aijkl (x) Ekl I =[L*+ LI]-1:[L*+L]:o Moyenne sur les VER Estimations courantes • Hashin - Strikman : polarisation homogène/phase • Mori - Tanaka : milieu = matrice • Autocohérent : milieu = composite (définition implicite) ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ S. DRAPIER 132