transformations finies

Post on 11-Sep-2021

1 Views

Category:

Documents

0 Downloads

Preview:

Click to see full reader

TRANSCRIPT

Lois de comportementen transformations finies

Samuel Forest

Centre des Materiaux/UMR 7633Mines Paris ParisTech/CNRSBP 87, 91003 Evry, FranceSamuel.Forest@ensmp.fr

Bibliographie (1)Les ouvrages de reference en francais -

[1] J. Mandel. Cours de mecanique des milieux continus. EditionsJacques Gabay, Paris, 1966–1994.

[2] J. Mandel. Plasticite classique et viscoplasticite. CISM Coursesand Lectures No. 97, Udine, Springer Verlag, Berlin, 1971.

[3] J. Mandel. Introduction a la mecanique des milieux continusdeformables. Academie Polonaise des Sciences, Varszawa, 1974.

[4] C. Truesdell. Introduction a la mecanique rationnelle des milieuxcontinus. Masson, Paris, 1974.

[5] P. Germain. Cours de mecanique des milieux continus T.I./Theoriegenerale. Masson, Paris, 1973.

[6] P. Germain. Mecanique, tomes I et II. Ellipses, Paris, 1986.

[7] F. Sidoroff. Les grandes transformations. rapport GRECO, no 51,1982.

[8] P. Ladeveze. Sur la theorie de la plasticite en grandesdeformations. rapport interne LMT No.9, 1980.

[9] P. Rougee. Mecanique des Grandes Transformations. SpringerVerlag, 1997.

2/146

Bibliographie (2)Les ouvrages de reference en anglais -

[10] C. Truesdell and W. Noll. The non-linear field theories ofmechanics. Handbuch der Physik, edited by S. Flugge, reeditionSpringer Verlag 1994, 1965.

[11] R.W. Ogden. Non–linear elastic deformations. Dover, New York,1984–1997.

[12] C. Teodosiu. Large plastic deformation of crystalline aggregates.CISM Courses and Lectures No. 376, Udine, Springer Verlag, Berlin,1997.

[13] P. Haupt. Continuum Mechanics and Theory of Materials.Springer Verlag, 2000.

[14] I-S. Liu. Continuum Mechanics. Springer, 2002.

[15] A. Bertram. Elasticity and Plasticity of Large Deformations.Springer, 2005.

3/146

Bibliographie (3)Supports de ce cours accelere -

[16] J. Besson, G. Cailletaud, J.-L. Chaboche, and S. Forest.Mecanique non lineaire des materiaux. Hermes, 2001.

[17] S. Forest and M. Amestoy. Mecanique des milieux continus.Cours de l’Ecole des Mines de Paris, Les Presses de l’Ecole des Mines,a paraıtre, 2008.

Plate–forme d’enseignement Mecanique Materiaux StructuresSite Web mms2.ensmp.fr

4/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Corps materiel M

M

M

( , )E R

Le corps materielMest un ensemble depoints materiels

Cinematique et statique du milieu continu 8/146

Placement de reference dans l’espace physique

M

Ω0

M

X

( , )E R

p0

• Ω0 est laposition occupeedans l’espacephysique E munid’un referentielR a un instantdonnee t0

• le point materielM ∈M occupela position Xdans cetteconfiguration

• on l’adopteracommeconfigurationde reference

Cinematique et statique du milieu continu 9/146

Configuration actuelle dans l’espace physique

M

Ω Ω0 t

M

X x

( , )E R

p p0 t

• Ωt est laposition actuelleoccupee par lecorps materieldans l’espacephysique E al’instant t

• le point materielM ∈M occupela position xdans cetteconfiguration

• on l’appelleconfigurationactuelle

Cinematique et statique du milieu continu 10/146

Configuration actuelle dans l’espace physique

M

Ω Ω0 t

M

X x

( , )E R

p p0 t

Φ

• La transformation

x = Φ(X , t)

fait passer de Ω0 aΩt

• La transformationest supposeebijective etbicontinue

X = Φ−1(x , t)

? pas de fission!? pas de fusion!

Cinematique et statique du milieu continu 11/146

Configuration intermediaire du corps materiel

M

Ω

Ω

Ω0 t

τ

M

X x

x( )τ

( , )E R

p p

p

0

τ

t

Φ

• La position de Ma 0 ≤ τ ≤ t estnotee Ωτ s’appelleconfigurationintermediaire ducorps materiel

• La transformationΦ(X , τ)0≤τ≤t

contient l’histoirede deformationdu corps materielentre ces instants

Cinematique et statique du milieu continu 12/146

Transformation du milieu continu

Ω

Ω

Ω0 t

τ

X x

x( )τ

( , )E R

Φ

• La transformation

x = Φ(X , t)

fait passer de Ω0 aΩt

• Le deplacementdu point materielest defini par

u (X , t) = x − X

u (X , t) = Φ(X , t)−X

Cinematique et statique du milieu continu 13/146

Champs de tenseurs sur MDes grandeurs physiques et thermomecaniques peuvent etre attachees a

chaque point du corps materiel.

• cas des milieux a microstructure sous–jacente : “solides”L’element de volume dV ∈ Ω0 centre en X devient dv ∈ Ωt

centre en x . dV et dv contiennent les memes particulesmaterielles.champs de fonctions tensorielles F (X , t)

c’est l’approche lagrangienne ou materielle

• cas des milieux sans microstructure sous–jacente : “fluides”Les particules materielles sont interchangeables et nonidentifiees. On ne s’interesse qu’aux quantites moyennes(vitesses) relatives aux particules traversant dv centre aupoint geometrique x ∈ Ωt a l’instant tchamps de fonctions tensorielles f (x , t)

c’est l’approche eulerienne ou spatiale

• Les points de vue lagrangien et eulerien sont equivalents :

f (x , t) := F (Φ−1(x , t), t), F (X , t) := f (Φ(X , t), t)Cinematique et statique du milieu continu 14/146

Un exemple de transformation du milieu continu

x (t) = Q∼(t).X + c (t)

xi = Qijxj + cj

Q∼

tenseur d’ordre 2 orthogonal : Q∼.Q∼

T = Q∼

T .Q∼

= 1∼ avecdetQ

∼= 1

Il s’agit d’unmouvement de corps rigide= rotation(t)+translation(t)d’ensembleLa rotation et la translation ne doivent pas dependre de X . La

dependance en t peut etre quelconque (acceleration non nulle).

Dans un repere cartesien orthonorme dont le troisieme axe est l’axede rotation x1

x2

x3

=

cos θ − sin θ 0sin θ cos θ 00 0 1

X1

X2

X3

+

c1

c2

c3

Cinematique et statique du milieu continu 15/146

Le gradient de la transformation

Φ

X

xdX dx

application lineaire tangente associee a Φ

Φ(X + dX )− Φ(X ) =∂Φ

∂X.dX + o(X ,dX )

element de fibre materielle dX initiale et dx actuelle

F∼(X , t) =∂Φ

∂X= Grad Φ = 1∼ + Gradu , dx = F∼.dX

Le gradient de la transformation F∼ est une caracterisation locale de la

transformation (F∼(X , t = 0) = 1∼)

Cinematique et statique du milieu continu 16/146

Le gradient de la transformation

Le gradient en coordonnees cartesiennes orthonormees (e i )i=1,3

dxi = FijdXj , avec Fij =∂xi

∂Xj= δij +

∂ui

∂Xjet F∼ = Fij e i ⊗ e j

dx1 =∂Φ1

∂X1dX1 +

∂Φ1

∂X2dX2 +

∂Φ1

∂X3dX3

dx2 =∂Φ2

∂X1dX1 +

∂Φ2

∂X2dX2 +

∂Φ2

∂X3dX3

dx3 =∂Φ3

∂X3dX1 +

∂Φ3

∂X3dX2 +

∂Φ3

∂X3dX3

dx1

dx2

dx3

=

F11 F12 F13

F21 F22 F23

F31 F32 F33

dX1

dX2

dX3

les composantes de F∼ sont sans dimension physique

Cinematique et statique du milieu continu 17/146

Transport d’un element de volume

• volume elementaire initial dV et actuel dv

dV = dX 1.(dX 2∧dX 3) = [dX 1,dX 2,dX 3] = det(dX 1,dX 2,dX 3)

dv = [dx 1,dx 2,dx 3] = [F∼.dX 1,F∼.dX 2,F∼.dX 3]

dv = J dV

J = detF∼ > 0

jacobien de la transformation

• transformation isochore en un point ou en tout pointun materiau est dit incompressible s’il ne peut subir que destransformations isochores

J = 1

Cinematique et statique du milieu continu 18/146

Conservation de la masse

ρ dv = ρ0 dV = ρ J dV =⇒ ρ0 = Jρ

interpretation en terme de changement de variable dans uneintegrale sur un domaine materiel D(t)∫

D(t)ρ(x , t) dv =

∫D0

ρ(Φ(X , t), t) J︸ ︷︷ ︸ρ0(X )

dV

avec D0 = Φ−1(D(t))

Cinematique et statique du milieu continu 19/146

Transport d’un element de surface

Φ

X

x

N n

dS = dX 1 ∧ dX 3 = dS N , ds = dx 1 ∧ dx 3 = ds n

l’element de surface est defini par les directions materiellesorthogonales dX 1 et dX 3 qu’il contient. Le vecteur element desurface dS ne se transforme pas comme une fibre materielle :

ds = J F∼−T .dS

dS et ds (resp. N et n ) ne sont pas constitues des memes pointsmateriels

Cinematique et statique du milieu continu 20/146

Les tenseurs de Cauchy–Green

Φ

X

xdX 1 dX 2

dx 1dx 2

dx 1.dx 2 = (F∼.dX 1).(F∼.dX 2) = dX 1.F∼T .F∼.dX 2 = dX 1.C∼ .dX 2

le tenseur de Cauchy–Green droit C∼ = F∼T .F∼ instaure une metrique sur Ω0

dX 1.dX 2 = dx 1.B∼−1.dx 2

le tenseur de Cauchy–Green gauche B∼ = F∼.F∼T instaure une metrique sur

Ωt

(C∼ et B∼ sont symetriques et definis positifs, B∼ 6= C∼T !!)

Cinematique et statique du milieu continu 21/146

Variation de longueurs

• variation de longueurs

‖dx ‖2 − ‖dX ‖2 = dX .(C∼ − 1∼).dX = dx .(1∼ − B∼−1).dx

• allongement relatif

dX = ‖dX ‖M

λ(M ) =‖dx ‖‖dX ‖

=√

M .C∼ .M = ‖F∼.M ‖ = ‖U∼ .M ‖

• interpretation des composantes de C∼

λ(e 1) =√

C11 =√

F 211 + F 2

21 + F 231

C11 designe donc le carre de l’allongement du premier vecteur de

base

Cinematique et statique du milieu continu 22/146

Variation d’angles

• variation d’angle entre deux elements de fibre materielle

dX 1 = |dX 1|M 1, dX 2 = |dX 2|M 2

dx 1 = |dx 1|m 1, dx 2 = |dx 2|m 2

cos Θ = M 1.M 2

cos θ = m 1.m 2

• angle de glissement γ des directions M 1 et M 2 dans le plande glissement (M 1,M 2)

γ := Θ− θ

Si Θ = π/2 (directions initialement orthogonales)

sin γ =

• interpretation des composantes de C∼ : M 1 = E 1 et M 2 = E 2

sin γ =

Cinematique et statique du milieu continu 23/146

Variation d’angles

• variation d’angle entre deux elements de fibre materielle

dX 1 = |dX 1|M 1, dX 2 = |dX 2|M 2

dx 1 = |dx 1|m 1, dx 2 = |dx 2|m 2

cos Θ = M 1.M 2

cos θ = m 1.m 2 =M 1.C∼ .M 2

λ(M 1)λ(M 2)

• angle de glissement γ

γ := Θ− θ

Si Θ = π/2 (directions initialement orthogonales)

sin γ =M 1.C∼ .M 2

λ(M 1)λ(M 2)

• interpretation des composantes de C∼ : M 1 = E 1 et M 2 = E 2

sin γ =C12√C11C22

Cinematique et statique du milieu continu 24/146

Mesures de deformation (1)

• candidatsC∼,B∼ ,U∼ ,V∼

• quelques regles supplementaires conventionnelles pour une mesurede deformation :

? elle est symetrique et sans dimension physique ;? elle est nulle pour un mouvement de corps rigide et en F∼ = 1∼ ;? son developpement limite autour de F∼ = 1∼ s’ecrit

12 (H∼ + H∼

T ) + o(H∼ )

H∼ = F∼ − 1∼ = Gradu

• les tenseurs de Green–Lagrange et d’Almansi

E∼ :=1

2(C∼ − 1∼), A∼ :=

1

2(1∼− B∼

−1)

E∼ =1

2(H∼ + H∼

T + H∼T .H∼ )

Eij =1

2(∂ui

∂Xj+∂uj

∂Xi+∂uk

∂Xi

∂uk

∂Xj)

• mesures lagrangiennes / mesures euleriennes de deformation

Cinematique et statique du milieu continu 25/146

“Mesures” de deformations (2)

E∼ =1

2(C∼−1∼) tenseur de Green− Lagrange,Eij =

1

2(ui,j+uj,i+uk,iuk,j)

A∼ =1

2(1∼− B∼

−1) = τ−1F−1F (E∼) tenseur d′Almansi

E∼1= U∼ − 1∼, A∼−1

= 1∼− V∼−1

E∼n=

1

n(U∼

n − 1∼), A∼n=

1

n(V∼

n − 1∼)

E∼0= log U∼ = P∼

log(1 + λ1) 0 00 log(1 + λ2) 00 0 log(1 + λ3)

P∼−1

A∼0= logV∼

Cinematique et statique du milieu continu 26/146

“Mesures” de deformations (3)1D :

C = (l

l0)2, B = (

l

l0)2, E1 =

l − l0l0

, A−1 =l − l0

l

E2 =1

2((

l

l0)2−1), A−2 =

1

2(1−(

l0l)2), E0 = log

l

l0, A0 = log

l

l0

Cinematique et statique du milieu continu 27/146

Transformations homogenes

• transformation homogene : F∼(X , t) = F∼(t)

etat initial homogene heterogene

lorsque tous les carres deformes sont superposables, ladeformation est homogene

• consequence sur le champ de deplacement :

x (t) = F∼(t).X + c (t)

pour tout couple de points materiels

x 1 − x 2 = F∼.(X 1 − X 2)

Cinematique et statique du milieu continu 28/146

Extension simple

x1 = X1(1 + λ)x2 = X2

x3 = X3

F∼ = 1∼+λe 1⊗e 1, [F∼] =

1 + λ 0 00 1 00 0 1

R∼ = 1∼, U∼ = F∼

Cinematique et statique du milieu continu 29/146

Glissement simple

x1 = X1 + γX2

x2 = X2

x3 = X3

, F∼ = 1∼ + γe 1 ⊗ e 2, [F∼] =

1 γ 00 1 00 0 1

Cinematique et statique du milieu continu 30/146

Glissement simple

C∼ = 1∼+γ(e 1⊗e 2+e 2⊗e 1)+γ2e 2⊗e 2, [C∼ ] =

1 γ 0γ 1 + γ2 00 0 1

Les valeurs propres de C∼ sont

λ1 =1

2(γ2 + 2 + γ

√γ2 + 4) = (

1

2(γ +

√γ2 + 4))2

λ2 =1

2(γ2 + 2− γ

√γ2 + 4) = (

1

2(−γ +

√γ2 + 4))2

λ3 = 1

Les vecteurs propres de C∼ et U∼ sont

V 1 =1

2(−γ +

√γ2 + 4)e 1 + e 2

V 2 =1

2(−γ −

√γ2 + 4)e 1 + e 2

V 3 = e 3

Cinematique et statique du milieu continu 31/146

Glissement simple

U∼ =

26666664

1q1 + (γ/2)2

γ

2q

1 + (γ/2)20

γ

2q

1 + (γ/2)2

1 + γ2/2q1 + (γ/2)2

0

0 0 1

37777775

V∼ =

26666664

1 + γ2/2q1 + (γ/2)2

γ

2q

1 + (γ/2)20

γ

2q

1 + (γ/2)2

1q1 + (γ/2)2

0

0 0 1

37777775

R∼ =

1√1 + (γ/2)2

γ

2√

1 + (γ/2)20

−γ

2√

1 + (γ/2)2

1√1 + (γ/2)2

0

0 0 1

la rotation propre est une rotation autour de e 3 d’angle tan θ = −γ

2

Cinematique et statique du milieu continu 32/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Champ des vitesses

• champ de vitesses

V (X , t) =∂Φ

∂t(X , t)

• descriptions materielle/spatiale (lagrangienne/eulerienne)

v (x , t) := V (Φ−1(x , t), t)

plus generalement

f (x , t) := F (X , t), avec x = Φ(X , t)

• derivee temporelle en suivant le mouvement

F (X , t) :=d

dtF (X , t) =

∂F

∂t(X , t)

=d

dtf (x , t) =

∂f

∂t(x , t) +

∂f

∂x.v (x , t) = f (x , t)

Cinematique et statique du milieu continu 34/146

Le champ de gradient des vitesses

• evolution instantanee d’un vecteur materiel transporte par lemouvement

dx = F∼.dX•︷︸︸︷

dx = L∼.dx , avec L∼ = F∼.F∼−1

• le tenseur gradient des vitesses

F∼ =∂2Φ

∂t∂X(X , t) =

∂2Φ

∂X ∂t(X , t)

= GradV (X , t) = (grad v (x , t)).F∼

L∼(x , t) = grad v (x , t) = F∼.F∼−1

Cinematique et statique du milieu continu 35/146

Tenseur vitesse de deformations

• evolution instantanee du produit scalaire de deux elements de fibresmateriellesd’une part...

•︷ ︸︸ ︷dx 1.dx 2 = dx 1.L∼

T .dx 2 + dx 1.L∼.dx 2 = 2dx 1.D∼ .dx 2

... et d’autre part•︷ ︸︸ ︷

dx 1.dx 2 =

•︷ ︸︸ ︷dX 1.C∼.dX 2 = dX 1.C∼.dX 2 = 2dX 1.E∼.dX 2

d’ou ...

E∼ =1

2C∼ = F∼

T .D∼ .F∼, D∼ :=1

2(L∼ + L∼

T )

tenseur vitesse de deformation ou taux de deformation

• taux d’allongement relatif :

dx = ‖dx ‖ m , m unitaire λλ =

•︷ ︸︸ ︷‖dx ‖‖dx ‖ = m .D∼ .m

Cinematique et statique du milieu continu 36/146

Taux de glissement angulaire

Φ

X

xdX 1 dX 2

dx 1dx 2

• angle de glissement : γ = Θ− θ

γ = −θ•︷ ︸︸ ︷

dx 1.dx 2 =

•︷ ︸︸ ︷‖dx 1‖ ‖dx 2‖ cos θ = 2dx 1.D∼ .dx 2

Si θ = π2 a l’instant t donne,

γ = 2m 1.D∼ .m 2

ou m 1 = dx 1/‖dx 1‖, m 2 = dx 2/‖dx 2‖• cas particulier, m 1 = e 1, m 2 = e 2 =⇒ γ = 2D12

Cinematique et statique du milieu continu 37/146

Directions orthogonales dans le mouvement

• Consequence 1 : m 1,m 2 2 elements de fibres materiellescoıncidant a l’instant t avec 2 directions principalesorthogonales de D∼ restent orthogonales a l’instant t

• Consequence 2 : Les triedres de directions materielles deux adeux orthogonales et qui le restent a l’instant t sont lestriedres des directions materielles qui coıncident a l’instant tavec les directions principales du tenseur D∼ des taux dedeformation. Lorsque les valeurs propres de D∼ sont distinctes,un tel triedre est unique.

Cinematique et statique du milieu continu 38/146

Le tenseur vitesse de rotation

• evolution d’une direction de fibre materielle m = dx /‖dx ‖m = L∼.m − (m .D∼ .m )m

• cas ou m est parallele a une direction principale de D∼

W∼ := L∼ −D∼ =1

2(L∼ − L∼

T )

m = W∼ .m =×W ∧m

tenseur vitesse ou taux de rotation

• Consequence : Le triedre orthonorme des vecteurs unitairesportes par les directions materielles qui coıncident a l’instant tavec les directions principales de D∼ , evolue selon unmouvement de solide rigide dont le taux de rotation a l’instantt vaut W∼ .

• Attention : Le triedre des directions principales de D∼ netournent pas a la vitesse W∼ ... (voir le cas du glissementsimple)

Cinematique et statique du milieu continu 39/146

Decomposition du gradient des vitesses

• vitesse de deformation + vitesse de rotation

L∼ = D∼ + W∼

parties symetrique et antisymetrique

• decomposition polaireF∼ = R∼ .U∼

L∼ = F∼.F∼−1 = R∼ .R∼

T + R∼ .U∼ .U∼−1.R∼

T

attention, le dernier terme n’est pas necessairementsymetrique... En general,

W∼ 6= R∼ .R∼T

• vecteur vitesse de rotation ∀y , W∼ .y =×W ∧y

×W 1 = −W23 = 1

2(∂v3∂x2

− ∂v2∂x3

)×W 2 = −W31 = 1

2(∂v1∂x3

− ∂v3∂x1

)×W 3 = −W12 = 1

2(∂v2∂x1

− ∂v1∂x2

)

,×W =

1

2rot v

Cinematique et statique du milieu continu 40/146

Mouvement de corps rigide

x = Q∼(t).X + c (t)

v (x , t) = W∼ (t).x + v 0(t) =×W (t) ∧ x + v 0(t)

W∼ = Q∼.Q∼

T v1

v2

v3

=

v01

v02

v03

+

0 −r qr 0 −p−q p 0

x1

x2

x3

=

v01

v02

v03

+

pqr

∧ x1

x2

x3

Cinematique et statique du milieu continu 41/146

Le glissement simple

[L∼] =

0 γ 00 0 00 0 0

[D∼ ] =

0

γ

20

γ

20 0

0 0 0

[W∼ ] =

0

γ

20

− γ2

0 0

0 0 0

Remarquer que les directions principales de D∼ ne tournent pas.Pour autant, W∼ n’est pas nul...

Cinematique et statique du milieu continu 42/146

Le glissement simple

[W∼ ] =

0

γ

20

− γ2

0 0

0 0 0

, [R∼ ] =

1√

1+(γ/2)2γ

2√

1+(γ/2)20

−γ2√

1+(γ/2)21√

1+(γ/2)20

0 0 1

θW = − γ

2, tan θR = −γ

2, θR = − γ

2

1

1 + γ2/4

Cinematique et statique du milieu continu 43/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 44/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 45/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 46/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 47/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 48/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 49/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 50/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 51/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 52/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 53/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 54/146

Le tourbillon ponctuel

Cinematique et statique du milieu continu 55/146

Le tourbillon ponctuel

• cinematique

v (r , θ, z , t) =Γ

2πre θ

les lignes de courant sont des cercles de centre O

• gradient des vitesses

L∼ = − Γ

2πr2(e r ⊗ e θ + e θ ⊗ e r )

• la transformation est localement isochore

traceD∼ = div v = 0

• l’ecoulement est irrotationnel

W∼ = 0

• circulation de v autour de O∮

v .e θ rdθ = Γ

Cinematique et statique du milieu continu 56/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 57/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 58/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 59/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 60/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 61/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 62/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 63/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 64/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 65/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 66/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 67/146

Le vorticimetre

Cinematique et statique du milieu continu 68/146

Le vorticimetre (1)

• directions unitaires caracterisant le croisillon m 1 et m 2

m 1 = L∼.m 1 − (m 1.D∼ .m 1)m 1

m 2 = L∼.m 2 − (m 2.D∼ .m 2)m 2

• Evolution de l’angle entre un axe du croisillon et une directionfixe de l’espace a

− sinϕ1 ϕ1 = m 1.a = a .L∼.m 1 − (m 1.D∼ .m 1)m 1.a

Le choix de a n’importe pas si l’on s’interesse a ϕ seulement.Prenons

ϕ1 = (a = m 2,m 1) = −π2

=⇒ ϕ1 = m 2.L∼.m 1

ϕ2 = (a = m 1,m 2) =π

2=⇒ ϕ2 = −m 1.L∼.m 2

Cinematique et statique du milieu continu 69/146

Le vorticimetre (2)

• Lorsque l’assemblage est rigide (m 1.m 2 = 0 a chaqueinstant), sa vitesse de rotation sera la moyenne des vitessesinstantanees precedentes :

ϕ =ϕ1 + ϕ2

2= m 2.W∼ .m 1

= m 2.(×W ∧m 1) =

×W ∧(m 1 ∧m 2) =

×W .e z

• La vitesse de rotation du croisillon rigide est exactementdonnee par le taux de rotation du fluide W∼ . Le vorticimetrepermet de mesurer ce taux de rotation.

• Dans le cas du tourbillon simple, W∼ = 0. Le vorticimetre netourne pas!

Cinematique et statique du milieu continu 70/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Puissance de deformationSoit σ∼(x , t) un champ de contraintes verifiant les equations locales de ladynamique pour les efforts imposes (cas regulier)

• Puissance des efforts appliques sur un domaine materiel D ⊂ Ωt

Pc(v ) + Pe(v ) =

∫∂D

t .v ds +

∫Dρf .v dv

• Puissance du champ d’acceleration

Pa(v ) :=

∫Dρa .v dv

• Puissance des efforts interieurs

P i (v ) := −∫D

σ∼ : D∼ dv , σ∼ : D∼ ∼ MPa.s−1 = Wm−3

• on aPc(v ) + Pe(v ) + P i (v ) = Pa(v )

−∫D

σ∼ : D∼ dv +

∫∂D

t .v ds +

∫Dρf .v dv =

∫Dρa .v dv

Cinematique et statique du milieu continu 72/146

Principe des puissances virtuelles

• enonce (cas regulier) : Le champ des contraintes σ∼ etd’acceleration a dans un corps materiel soumis aux effort ρfet t , verifient les equations locales de la dynamique si etseulement si la puissance des efforts interieurs, a distance etde contact equilibre la puissance du champ d’acceleration danstout mouvement virtuel v ? et sur tout sous–domaine D ⊂ Ωt :

P i (v ?) + Pc(v ?) + Pe(v ?) = Pa(v ?)

−∫D

σ∼ : D∼? dv +

∫∂D

t .v ? ds +

∫Dρf .v ? dv =

∫Dρa .v ? dv

Cinematique et statique du milieu continu 73/146

Le tenseur des contraintes nominales

Φ

N

n

t TS

• le tenseur des contraintes nominales

t ds = T SdS = S∼.N dS , avec S∼ := Jσ∼ .F∼−T

tenseur des contraintes nominales, dit de Boussinesq.

Cinematique et statique du milieu continu 74/146

Le tenseur des contraintes de Piola–Kirchhoff

• puissance des efforts interieurs∫D

σ∼ : D∼ dv =

∫D0

Π∼ : E∼ dV

Π∼ = J F∼−1.σ∼ .F∼

−T = F∼−1.S∼

tenseur des contraintes de Piola–Kirchhoff

• densite massique de puissance des efforts interieurs

σ∼ : D∼ρ

=Π∼ : E∼ρ0

couples de contraintes et deformations conjuguees

• transport convectif du vecteur traction

T dS := F∼−1.t ds = F∼

−1.T S dS = Π∼ .N dS

Cinematique et statique du milieu continu 75/146

Retour sur les transports convectifs

espace tangentinitial

espace tangentactuel

F

F

T

F

1

F

T

dx = F∼.dX

ds = JF∼−T .dS

T dS = F∼−1.t ds

T M dS = F∼T .t ds

= C∼ .Π∼ .N dS

tenseur descontraintes deMandel

Cinematique et statique du milieu continu 76/146

Transports convectifs

τF−1F (T∼) = F∼−1.T∼ .F∼

τF−1F−T (T∼) = F∼−1.T∼ .F∼

−T

τFT F−T (T∼) = F∼T .T∼ .F∼

−T

τFT F (T∼) = F∼T .T∼ .F∼.

conservation du produit scalaire de deux tenseurs par transport ?

A∼ : B∼ = τF−1F (A∼) : τFT F−T (B∼) = τFT F (A∼) : τF−1F−T (B∼)

Cinematique et statique du milieu continu 77/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Changement de referentiel d’espace

Cinematique et statique du milieu continu 79/146

Changements de referentielreferentiel (E ,E ), un autre referentiel (E ′,E ′)

• changement de referentiel euclidien

x ′ = Q∼(t).x + c (t), t ′ = t − t0

commodite : Q∼(t0) = 1∼ (X ′ = X ), c (t0) = 0

• Comment se transforment les grandeurs mecaniques lorsqu’onchange de referentiel ?? le gradient de la transformation? les tenseurs de Cauchy–Green? le gradient des vitesses

Cinematique et statique du milieu continu 80/146

Changements de referentielreferentiel (E ,E ), un autre referentiel (E ′,E ′)

• changement de referentiel euclidien

x ′ = Q∼(t).x + c (t), t ′ = t − t0

commodite : Q∼(t0) = 1∼ (X ′ = X ), c (t0) = 0

• Comment se transforment les grandeurs mecaniques lorsqu’onchange de referentiel ?? le gradient de la transformation dx ′ = Q

∼.dx F∼

′ = Q∼.F∼

? les tenseurs de Cauchy–Green

C∼′ = C∼, B∼

′ = Q∼.B∼ .Q∼

T

? le gradient des vitesses

L∼′ = Q

∼.L∼.Q∼

T+Q∼.Q∼

T , D∼′ = Q

∼.D∼ .Q∼

T , W∼′ = Q

∼.W∼ .Q∼

T+Q∼.Q∼

T

Cinematique et statique du milieu continu 81/146

“Derivation” objectivederivee particulaire d’un segment rigide dans un referentiel mobile :

u ′ = Q∼.Q∼

T .u ′

Elle est non nulle!

Soit alors

DJu ′ = u ′ −W∼ .u′

avec le taux de rotation du milieu W∼ = Q∼.Q∼

T

pour T∼ = u ⊗ v , on definit

T∼J = u J ⊗ v + u ⊗ v J

d’ouT∼

J = T∼ + T∼ .W∼ −W∼ .T∼

appelee derivee de Jaumann

Cinematique et statique du milieu continu 82/146

Derivees convectives

T∼(1) = F∼(F∼

−1T∼F∼)·F∼−1 = T∼ − L∼T∼ + T∼L∼

T∼(2) = F∼(F∼

−1T∼F∼−T )·F∼

T = T∼ − L∼T∼ − L∼TT∼

T∼(3) = F∼

−T (F∼TT∼F∼

−T )·F∼T = T∼ + L∼

TT∼ − T∼L∼T

T∼(4) = F∼

−T (F∼TT∼F∼)·F∼

−1 = T∼ + L∼TT∼ + T∼L∼.

On remarquera que

T∼J =

1

2(T∼

(1) + T∼(3))

τJF−1F−T (T∼) = JF∼−1T∼F∼

−T

dont la derivee associee est :

T∼(5) =

1

JF∼(τJF−1F−T (T∼))•F∼

T = T∼ − L∼T∼ − T∼L∼T + T∼TrL∼

dite aussi derivee de TruesdellsCinematique et statique du milieu continu 83/146

Derivation dans un referentiel local objectif

repere local objectif : famille dereferentiels Ex ou Ex est le referentiellocal privilegie en x et Q

∼x la rotation

associee. Les referentiels locaux objectifsdoivent etre tels que

Q∼x ′ = Q

∼x Q∼

T

derivee de T∼ dans Ex :

DE,x T∼ = Q∼

Tx

•︷ ︸︸ ︷(Q∼x T∼Q

∼Tx )Q

∼x

DET∼ = T∼ + T∼Ω∼ El−Ω∼ El

T∼

ou Ω∼ El= Q

T

x Q∼x

Ex Ex

E

E

Q

Q x

Q x x

x

Cinematique et statique du milieu continu 84/146

Referentiels corotationnel et en rotation propre

• Referentiel corotationnel : il existe une famille unique dereferentiels locaux objectifs Ec

x telle qu’en tout point et achaque instant, le taux de rotation par rapport a ce referentielsoit nul ;

∀x ∈ Ω, W∼′ = Q

∼.Q∼

T + Q∼.W∼ .Q∼

T

pour que W∼′ = 0, il faut que −Q

∼Tc.Q∼ c

= Q∼

T

c.Q∼ c

= W∼(Q∼ cx (t) = Q

∼ c(x , t))

la derivee associee est :

DEcT∼ = Q∼

Tc.(Q∼ c.T∼ .Q∼

Tc

)·Q∼ c

= T∼ + T∼ .W∼ −W∼ .T∼

i.e. la derivee de Jaumann!

• Referentiel en rotation propre : decomposition polaire

F∼ = R∼ .U∼ = V∼ .R∼

Q∼ ER

= R∼T

ce referentiel depend de la configuration de reference

Cinematique et statique du milieu continu 85/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Necessite et forme de la loi de comportement

• la reponse actuelle depend a priori de l’histoire complete dedeformation

σ∼(x , t) = F0≤s≤t,Y ∈Ω0

(Φ(Y , s))

fonctionnelle–memoire F

Formulation des lois de comportement 87/146

Premieres simplifications

• principe du determinisme

σ∼(x , t) = F0≤s≤t,Y ∈Ω0

(Φ(Y , s))

theorie non locale

• principe de l’action locale

σ∼(x , t) = F0≤s≤t,n>0

(Φ(X , s),

∂nΦ

∂X n (X , s)

)• milieu materiellement simple : theorie du premier gradient

σ∼(x , t) = F0≤s≤t

(Φ(X , s),F∼(X , s)

)

Formulation des lois de comportement 88/146

Cas thermoelastique

• Forme generale de la loi de comportement

σ∼(x , t) = F0≤s≤t

(Φ(X , s),F∼(X , s),T (X , s),G (X , s)

)• Loi de comportement thermoelastique

σ∼(x , t) = FΩ0(F∼(X , t),T (X , t))

• Loi de comportement elastique

σ∼ = FΩ0(F∼)

Formulation des lois de comportement 89/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Principe d’objectivite des contraintes

Changement de referenriel euclidien pour le tenseur des contraintest ′ = Q

∼.t , df ′ = σ∼

′.ds ′, σ∼′ = Q

∼.σ∼ .Q∼

T

consequence : la densite de puissance virtuelle des efforts interieursest independante du referentiel d’observation

p(i)′ = σ∼′ : D∼

?′ = σ∼′ : (Q

∼.D∼

?.Q∼

T ) = (Q∼

T .σ∼′.Q∼) : D∼

? = p(i)

personne ne conteste ce principe (representation des efforts)...

Formulation des lois de comportement 91/146

Principe d’invariance de forme de la loi decomportement

• Prendre comme arguments de la loi de comportement desgrandeurs objectives.Exemple de grandeurs objectives liees a la matiere : F∼,D∼ etc.Contrexemple : W∼Les observateurs voient le meme tenseur...

• Comment se transforme la loi de comportement parchangement de referentiel ?

σ∼ = FΩ0(F∼)

σ∼′ = F ′

Ω0(F∼

′)

=⇒ F ′Ω0

(F∼′) = Q

∼.FΩ0(Q∼

T .F∼′).Q

∼T

Formulation des lois de comportement 92/146

Principe d’invariance de forme de la loi decomportement

• Principe d’invariance de forme (dit aussi principed’indifference materielle) :

F ′Ω0

= FΩ0

la matiere est indifferente a qui l’observe...la propriete physique du materiau (ex : sa rigidite) ne dependpas du referentiel d’observation

=⇒ FΩ0(Q∼ .F∼) = Q∼.FΩ0(F∼).Q

∼T

• Pour ceux qui contestent ce principe et privilegient lesreferentiels galileens pour des raisons physiques evidentes :elargir les arguments a des variables objectives immaterielles...

Formulation des lois de comportement 93/146

Forme reduite de la loi de comportementLa loi d’elasticite s’ecrit sous la forme reduite

σ∼(X , t) = R∼(X , t).FΩ0(U∼ (X , t)).R∼T (X , t)

ou, de maniere equivalente,

Π∼ = FΠΩ0

(C∼)

Π∼ = FΠΩ0

(E∼)

Formulation des lois de comportement 94/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Changement de configuration de reference

Ω0

Ω0

Ω0

P

Ω0

P

P

Ωt

F

F

F

F

P∼ est une applicationlineaire quelconque(inversible mais non

necessairement orthogo-

nale)

F∼ = F∼.P∼−1

Formulation des lois de comportement 96/146

Changement de configuration de referenceX −→ X

• formes de la loi de comportement

σ∼(x , t) = FΩ0(F∼(X , t))

σ∼(x , t) = FΩ0(F∼(X , t))

FΩ0(F∼) = FΩ0(F∼.P∼)

• deux configurations de reference sont materiellementindiscernables si

FΩ0 = FΩ0

la loi de comportement doit alors verifier pour un tel P∼

FΩ0(F∼) = FΩ0(F∼.P∼)

une telle transformation P∼ s’appelle symetrie materielle(abus de langage courant, car ce ne sont pas que dessymetries...)

Formulation des lois de comportement 97/146

Le groupe des symetries materielles

• L’ensemble des symetries materielles d’un milieu materiel parrapport a une configuration de reference Ω0 a une structurede groupe

GΩ0 ⊂ U(E )

ou U(E ) ⊂ GL(E ) est le groupe unimodulaire (| detP∼ |= 1)

• Regle de Noll : Si Ω0 et Ω0 sont deux configurations d’unmilieu materiel et si P∼ est le gradient de la transformation de

Ω0 vers Ω0, alors

GΩ0= P∼ .GΩ0 .P∼

−1

Formulation des lois de comportement 98/146

Milieux elastiques isotropes

• un milieu materiel est dit isotrope par rapport a laconfiguration Ω0 si

GΩ0 = GO(E )

• la fonction FΠΩ0

est alors dite isotrope

Q∼.FΠ

Ω0(C∼).Q

∼T = FΠ

Ω0(Q∼.C∼ .Q∼

T )

Formulation des lois de comportement 99/146

Milieux elastiques isotropes

• un milieu materiel est dit isotrope par rapport a laconfiguration Ω0 si

GΩ0 = GO(E )

• la fonction FΠΩ0

est alors dite isotrope

Q∼.FΠ

Ω0(C∼).Q

∼T = FΠ

Ω0(Q∼.C∼ .Q∼

T )

• theoreme de representation des fonctions isotropes

Π∼ = α01∼ + α1C∼ + α2C∼2

les αi sont des fonctions quelconques des invariants principauxde C∼d’ou, dans la description eulerienne,

σ∼ = β01∼ + β1B∼ + β2B∼2

Formulation des lois de comportement 100/146

• cas particulier :GΩ0 = U(E )

• la loi de comportement est donc telle que

FΩ0 = FΩ0, ∀P∼ ∈ U(E )

• decomposition de F∼ en une partie spherique et une partieunimodulaire

F∼ = F∼sph.F∼, F∼ : Ω0 −→ Ω0

on montre alors que FΩ0(F∼) = FΩ0(F∼sph) = FΩ0

(F∼sph)

la loi de comportement est donc de la forme σ∼ = f (J1∼)

• principe d’indifference materielle

σ∼′ = f (F∼

sph′) = f (J1∼) = σ∼

σ∼ = Q∼.σ∼ .Q∼

T , ∀Q∼∈ GO(E )

σ∼ ne peut etre qu’une homothetie...

Formulation des lois de comportement 101/146

Fluides elastiques

• cas particulier :GΩ0 = U(E )

• la loi de comportement est donc telle que

FΩ0 = FΩ0, ∀P∼ ∈ U(E )

• la loi de comportement est de la forme

σ∼ = −p(ρ)1∼

ou sa representation lagrangienne

Π∼ = JF∼−1.σ∼ .F∼

−T = −pJC∼−1

c’est un fluide elastique!

Formulation des lois de comportement 102/146

Une definition (mecanique) des fluides et des solides

• Un corps materiel est un fluide si, pour une configuration Ω0,le groupe des symetries materielles coıncide avec le groupeunimodulaire :

GΩ0 = U(E )

Le groupe des symetries materielles est alors le meme quelleque soit la configuration de reference.Un fluide ne possede pas de configuration de referenceprivilegiee.Un fluide est isotrope par rapport a toutes ses configurations.

• Un corps materiel est un solide s’il existe une configurationΩ0 par rapport a laquelle le groupe des symetries materiellesest un sous–groupe du groupe orthogonal :

GΩ0 ⊂ GO(E )

Une telle configuration est dite sans distorsion. C’est uneconfiguration privilegiee pour l’ecriture de la loi decomportement du solide.

Formulation des lois de comportement 103/146

Classification des corps materielson classe les corps materiels (non necessairement elastiques) en fonction

de leur groupe de symetrie

GLE

Formulation des lois de comportement 104/146

Classification des corps materielson classe les corps materiels (non necessairement elastiques) en fonction

de leur groupe de symetrie

GLE

UE (fluides)

Formulation des lois de comportement 105/146

Classification des corps materielson classe les corps materiels (non necessairement elastiques) en fonction

de leur groupe de symetrie

GLE

UE (fluides)

GOE

(solidesisotropes)

Formulation des lois de comportement 106/146

Classification des corps materielsGL

E

UE (fluides)

GOE

(solidesisotropes)

CristalE

(solides anisotropes)

(solides tricliniques)

Formulation des lois de comportement 107/146

Classification des corps materielsGL

E

UE (fluides)

(impossible)

GOE

(solidesisotropes)

CristalE

(solides anisotropes)

(solides tricliniques)

Formulation des lois de comportement 108/146

Classification des corps materielsGL

E

UE (fluides)

(impossible)

GOE

(solidesisotropes)

CristalE

(solides anisotropes)(cristaux liquides)

(solides tricliniques)

Formulation des lois de comportement 109/146

Milieux materiels visqueux

• on a generalise le comportement du “ressort” a un milieumateriel tridimensionnel

∆lF

F = kδl σ∼ = R∼ .FΩ0(C∼).R∼T

• comment generaliser le comportement d’un “amortisseur” aun milieu materiel tridimensionnel ?

∆lF

F = ηl σ∼ = FΩ0(ρ,D∼ )

Formulation des lois de comportement 110/146

Milieux materiels visqueux

• changement de configuration de reference

L∼ = F∼.F∼−1 =

•︷︸︸︷F∼.P∼ .(F∼.P∼)−1 = L∼

ce sont des fluides !

Formulation des lois de comportement 111/146

Milieux materiels visqueux

• changement de configuration de reference

L∼ = F∼.F∼−1 =

•︷︸︸︷F∼.P∼ .(F∼.P∼)−1 = L∼

ce sont des fluides visqueux, dits de Reiner–Rivlin (1945)

• changement de referentiel

Q∼.FΩ0(D∼ ).Q

∼T = FΩ0(Q∼ .D∼ .Q∼

T )

FΩ0 est une fonction isotrope de son argument

σ∼ = α01∼ + α1D∼ + α2D∼2

les αi sont des fonctions de ρ et des invariants de D∼il est remarquable que les principes fondamentaux conduisentdans ce cas a une forme si precise de la loi de comportement!Remarquer toutefois que l’on s’est restreint d’emblee au casde fluides en choisissant σ∼ = FΩ0(D∼ )...

Formulation des lois de comportement 112/146

Quelques lois de comportement illicites

Pourquoi les lois suivantes sont–elles inacceptables ?

σ∼ = ηx ⊗ x

σ∼ = ηv ⊗ v

B∼ = ηtnσ∼

σ∼ = ηD∼

Formulation des lois de comportement 113/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Thermodynamique

• energieρe = σ∼ : D∼ + ρr − div q

ρ0e = Π∼ : E∼ + ρ0r − div Q

• entropie, inegalite de Clausius-Duhem

−ρ(e − T s)−q

T.gradT + σ∼ : D∼ ≥ 0

−ρ(Ψ + sT ) + σ∼ : D∼ −q

T.gradT ≥ 0

−ρ0(e − T s) + Π∼ : E∼ −Q

T.gradT >= 0

• dissipation

Dth = −q

T.gradT

D i = −ρ(Ψ + sT ) + σ∼ : D∼

Formulation des lois de comportement 115/146

Dissipation

• fonctions d’etat : energie interne e0(E∼, s0)energie libre de Helmholtz ψ(E∼,T ) = e0 − Ts0

• inegalite de Clausius–Duhem (dissipation volumique D)

D = Π∼ : E∼ − ρ0(ψ0 + T s0)−Q .Grad T

T≥ 0

• corps elastiques Π∼ = FΠΩ0

(E∼,T ), ψ0(E∼,T )

ψ0 =∂ψ0

∂E∼: E∼ +

∂ψ0

∂TT

D = (Π∼ − ρ0∂ψ0

∂E∼) : E∼ − ρ0(

∂ψ0

∂T+ s0)T −Q .

Grad T

T≥ 0

Formulation des lois de comportement 116/146

Lois d’etat des corps thermoelastiques

• relations d’hyperelasticite

Π∼ = ρ0∂ψ0

∂E∼, s0 = −∂ψ0

∂T

ψ0 s’appelle le potentiel d’elasticite (dissipation intrinsequenulle) remarque : ∂ψ0

∂Grad T = 0

• dissipation residuelle thermique

D = −Q .Grad T

T= −ρ0

ρq .gradT ≥ 0

loi de Fourier (loi de comportement thermique)

Q = −K∼ (E∼,T ).Grad T

il n’y a pas de potentiel thermique (dissipation totale)

• on peut utiliser d’autres mesures de deformation. En eulerien

σ∼ = 2ρ∂Ψ

∂B∼.B∼

(implique isotropie...)Formulation des lois de comportement 117/146

Hyperelasticite isotrope

• theoreme de representation pour les fonctions isotropes devariables tensorielles d’ordre 2

ψ0(E∼,T ) ≡ ψ0(I1, I2, I3,T )

les invariants principaux de E∼ sont

I1(E∼) := traceE∼, I2(E∼) :=1

2traceE∼

2, I3(E∼) :=1

3traceE∼

3

• lois de comportement hyperelastique

Π∼ = ρ0∂ψ0

∂I1

∂I1∂E∼

+ ρ0∂ψ0

∂I2

∂I2∂E∼

+ ρ0∂ψ0

∂I3

∂I3∂E∼

Π∼ = ρ0∂ψ0

∂I11∼ + ρ0

∂ψ0

∂I2E∼ + ρ0

∂ψ0

∂I3E∼

2

a rapprocher de la loi des corps elastiques isotropes dejaetablie

Π∼ = α01∼ + α1E∼ + α2E∼2

Formulation des lois de comportement 118/146

Exemple de loi elastique non hyperelastique

La loi suivante n’est pas hyperelastique

Π∼ =α

2(traceE∼

2) 1∼,∂α0

∂I2= 2 6= ∂α1

∂I1= 0

Pour le voir, on considere par exemple deux trajets, avecλ : 0 −→ 1 :

[E∼1(λ)] =

λ 0 00 λ 00 0 0

, [E∼2(λ)] =

λ 0 00 λ2 00 0 0

,W1 =

∫ tB

tA

2αλλ dt =2

3α, W2 =

∫ tB

tA

α

2(λ2+λ4)(1+2λ)λ dt =

41

60α

Le travail depend donc du trajet de deformation...

Formulation des lois de comportement 119/146

Hypoelasticite

5σ∼ = f (D∼ )

ou σ∼ est une derivee objective.Ce type de lois souffre des memes maux que les lois elastiques...

Formulation des lois de comportement 120/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Plasticite anisotrope en transformations finiesexistence d’un triedre directeur

F p~

F~

e

F~

F∼ = F∼e .F∼

p

configuration intermediaire relachee isocline (locale, inaccessible(ecrouissage cinematique, viscoplasticite))archetype : le monocristal [Mandel 1973]plastic spin ? : il doit faire partie de la LDC

Elastoviscoplasticite en transformations finies 123/146

Materiaux standards generalises (1)

• deformation elastique et tenseur de contraintes sur laconfiguration intermediaire :

E∼e =

1

2(F∼

e .F∼eT − 1∼), Π∼

e =ρi

ρF∼

e−1.σ∼ .F∼e−T

energie libre Ψ(E∼e ,T ,α∼)

• puissance des efforts interieurs

1

ρσ∼ : (F∼.F∼

−1) =1

ρi(Π∼

e : E∼e+ (F∼

et .F∼e .Π∼

e) : (F∼p.F∼

p−1))

• l’inegalite de Clausius-Duhem s’ecrit alors :

ρ(Π∼

e

ρi− ∂Ψ

∂E∼e ) : E∼

e−ρ(s+∂Ψ

∂T)T−ρ∂Ψ

∂α∼: α∼+M∼ : F∼

p.F∼

p−1 ≥ 0

lois d’etat :

Π∼e

ρi=

∂Ψ

∂E∼e , X∼ = ρ

∂Ψ

∂α∼, s = −∂Ψ

∂T

Elastoviscoplasticite en transformations finies 124/146

Materiaux standards generalises (2)

• dissipation residuelle : D = M∼ : F∼p.F∼

p−1 − X∼ : α∼tenseur de Mandel :

M∼ := F∼eT .F∼

e .Π∼

e

ρi

• potentiel de dissipation Ω(M∼ ,X∼)

F∼p.F∼

p−1 =∂Ω

∂M∼, α∼ =

∂Ω

∂X∼

Elastoviscoplasticite en transformations finies 125/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Approche en referentiel local objectif

On considere une loi de la forme :

σ∼∗ = f (D∼

∗)

ou σ∼∗ = Q

∼∗.σ∼ .Q∼

∗T et D∼∗ = Q

∼∗.D∼ .Q∼

∗T sont les contraintes ettaux de deformations lues dans un referentiel local objectif.

Exemple : referentiel corotationnel, cas isotrope

σ∼c = λ(TrD∼

c)1∼ + 2µD∼c

et revenons dans le referentiel d’observation, on trouve:

Q∼

cT .σ∼c .Q

∼c = σ∼

J = λ(TrD∼ )1∼ + 2µD∼

ou l’on reconnaıt la derivee de Jaumann.

avantage : f quelconque... inconvenient : hypoelastique...

Elastoviscoplasticite en transformations finies 127/146

Lois de comportement elastoviscoplastiques enreferentiel local objectif

ε∼ = ε∼e + ε∼

p

ε∼p = f (σ∼ ,α∼)

σ∼ = C∼∼: ε∼

e

α∼ = h(α, ε∼p)

=⇒e∼ = Q

∼T .D∼ .Q∼ ,

s∼ = Q∼

T .ρ0ρ σ∼ .Q∼

=⇒

e∼ = e∼e + e∼

p

e∼p = f (s∼,α∼)

s∼ = C∼∼: e∼

e

α∼ = h(α∼ , e∼p)

• referentiel corotationnel : Q∼

tel que Q∼

T.Q∼

= W∼• referentiel en rotation propre : Q

∼= R∼

• quelques precautions : base experimentale, identification,complements de lois d’ecrouissage...

Elastoviscoplasticite en transformations finies 128/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Cinematique du glissement simple2

1

2

1

γ

θθ

ο

οC C

F∼ = 1∼ + γe 1 ⊗ e 2

rotation des fibres materielles :

tan θ = tan θ0 + γ, θ =γ

1 + (tan θ0 + γ)2

< θL >=γ

π

π/2∫−π/2

1

1 + (tan θ0 + γ)2dθ0 =

γ

2(1 + γ2

4 )

< θe >=γ

π

π/2∫−π/2

1

1 + tan2θdθ =

γ

2

le referentiel corotationnel tourne sans arret! la rotation propre sature...Elastoviscoplasticite en transformations finies 130/146

Glissement simple en elasticite

• formulation lagrangienne

Π∼ = 2µ E∼ + λTrE∼ 1∼

Π∼ et E∼ sont respectivement le second tenseur dePiola-Kirchhoff et le tenseur de Green-Lagrange

• formulation eulerienne

σ∼ = 2µ log V∼ + λ Tr (log V∼) 1∼

V∼ intervient dans la decomposition polaire F∼ = V∼R∼• formulations en referentiel local objectif

s∼ = 2µ e∼ + λTr e∼ 1∼

Q∼

= Q∼ c

(corotationnel)

Q∼

= R∼ (rotation propre)

Elastoviscoplasticite en transformations finies 131/146

Glissement simple en elasticite

!"

#$%&'($

()$$$$

($$$$$

#*)$$$$

#$$$$$

)$$$$

$

+ )$$$$

+ #$$$$$

Elastoviscoplasticite en transformations finies 132/146

Glissement simple en plasticite

cas rigide plastique en referentiel corotationnel :

• critere f (s∼,R,X∼) = J2(s∼− X∼)− R

p =

√2

3D∼ : D∼ J2(s∼− X∼) =

√3

2(s∼

dev − X∼) : (s∼dev − X∼)

• regle d’ecoulement e∼ = p∂f

∂s∼• lois d’evolution

X∼ =2

3C e∼

p − D p X∼

• solution :8>><>>:σ11 = −σ22 =

C

D2 + 3(1− exp(−

D√

3γ)(cos γ +

D√

3sin γ))

σ12 =C

3exp(−

D√

3γ) sin γ +

DC√

3(D2 + 3)(1− exp(−

D√

3γ)(cos γ +

D√

3sin γ)) +

R√

3

Elastoviscoplasticite en transformations finies 133/146

Glissement simple en plasticite

05

1015

20γ 0.2

0.40.6

0.81

1.21.4

D

-300-200-100

0100200300400

ecrouissage cinematique

Elastoviscoplasticite en transformations finies 134/146

Glissement simple en plasticite

! ! "

ecrouissage isotrope

Elastoviscoplasticite en transformations finies 135/146

Theorie continue de la plasticite cristalline

decomposition multiplica-tive [Mandel, 1973]

F∼ = F∼e .F∼

p,

F∼p.F∼

p−1 =n∑

s=1

γsP∼s

P∼s = m s ⊗ n s

F p~

F~

e

F~

Loi de Schmid

τ s = P∼s : σ∼

s

γs =<| τ s | −r s

k>n signτ s

Loi d’ecrouissage r s = r0 + qn∑

r=1

hsr (1− exp(−b1vr ))

Elastoviscoplasticite en transformations finies 136/146

Le monocristal en glissement simple

e 1 = [100]/e 2 = [001]

Elastoviscoplasticite en transformations finies 137/146

Le monocristal en glissement simple

e 1 = [100]/e 2 = [001]

Elastoviscoplasticite en transformations finies 138/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Mecanique des milieux continus generalises

Principe de l’action locale: seule compte l’histoire d’un voisinagearbitrairement petit de la particule X

[Truesdell, Toupin, 1960] [Truesdell, Noll, 1965]

Milieu

Continu

action

locale

action

non localetheorie non locale: formulation integrale [Eringen, 1972]

milieumateriellementsimple: F

milieu nonmateriellementsimple

milieu de Cauchy (1823)(classique / Boltzmann)

milieud’ordre n

milieude degre n

Cosserat (1909)u R

micromorphe[Eringen, Mindlin 1964]u χ

second gradient[Mindlin, 1965]F F ∇

gradient de variableinterne [Maugin, 1990]u α

Milieux continus generalises en transformations finies 140/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Le milieu de Cosserat en transformationsinfinitesimales

cinematique D.O.F. u ,Φ

µ

µ

+=

µ

σ

σ

σσ

σ11 31

11

31

21

12

3222

L

1

2

elasticite isotrope

σ∼ = λ 1∼ Tr e∼e + 2µ e∼

e + 2µce∼

e

µ∼

= α 1∼ Trκ∼e + 2β κ∼

e + 2γ κ∼e

deformation de Cosse-rat

eij = ui,j + εijkΦk

tenseur de courbure

κij = Φi,j

statiqueforces–contraintes

σij,j + fi = 0

couples de contraintes

µij,j − εijkσjk + ci = 0

Milieux continus generalises en transformations finies 142/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Le milieu de Cosserat en transformations finies

• D.O.F. et gradientsd i = R∼ .d

0i

F∼ = 1∼ + u ⊗∇

Γ∼ =1

2ε∼ : (R∼ (R∼

T ⊗∇ ))

• hyperelasticite σ∼ = ρ R∼ .

∂ψ

∂]F∼.F∼

T

µ∼

= ρ R∼ .∂ψ

∂]Γ∼.F∼

T

• elastoplasticite]F∼ = ]F∼

e ]F∼p

]Γ∼ = ]Γ∼e + ]Γ∼

p

]Γ∼ = ]Γ∼e ]F∼

p + ]Γ∼p

Milieux continus generalises en transformations finies 144/146

Plan1 Cinematique et statique du milieu continu

Transformations, deformationsVitesses de deformationsContraintesChangement de referentiel

2 Formulation des lois de comportementPrincipe d’indifference materielleGroupe des symetries materiellesLe crible de la thermodynamique

3 Elastoviscoplasticite en transformations finiesDecomposition multiplicativeFormulation en referentiels locaux objectifsExemple : le glissement simple

4 Milieux continus generalises en transformations finiesCinematique et statique du milieu de CosseratElastoviscoplasticte de Cosserat

5 Conclusions et recommandations

Conclusions et recommandationsapplications : mise en forme, rupture...

• pas d’etat d’ame sur les mesures de deformation...

• pas de religion des derivees objectives...

• concentrer l’effort sur l’interpretation des resultatsexperimentaux!

• concentrer l’effort sur l’anisotropie et l’evolution del’anisotropie

• par souci d’efficacite, on peut adopter les formulations enreferentiel local objectif

• concernant les LDC :? generaliser les lois HPP? ne pas extrapoler, reidentifier (eventuellement sur structure),

completer les LDC? utiliser les informations donnees par les textures, ce qui evite

de developper des modeles purement phenomenologiques tropcomplexes

Conclusions et recommandations 146/146

top related