Laboratoire d'accueil : Laboratoire de micromécanique et intégrité des structures (Mist)

Date de début de la thèse :  13/10/2010

Nom du doctorant : Nawfal Blal

Dans le cadre du Laboratoire Mist, l'Institut de Radioprotection et Sûreté Nucléaire et le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil développent des recherches communes en micromecanique des matériaux. Ces recherches sont principalement dédiées à la compréhension et a la prédiction de l'intégrité des structures nucléaires (les coeurs de réacteurs pour l'essentiel).
La prédiction fiable de cette intégrité nécessite une détermination précise du comportement des matériaux qui constituent ces structures. Ces matériaux subissent tout au long de leur vie en réacteur de nombreuses évolutions microstructurales du fait des contraintes auxquelles ils sont soumis: changements de phases, apparition de précipités, hydruration, oxydation, etc. La connaissance de leur comportement passe donc par une prise en compte explicite de ces évolutions microstructurales et de leurs impacts sur le comportement thermomécanique global. La confrontation des échelles de ces hétérogénéités microstructurales (souvent de l'ordre du micron) à ceUes des structures qu'il s'agit de modéliser (de la dizaine de centimétres à quelques mètres) impose l'utilisation d'approches multiéchelles pour déterminer le comportement homogène équivalent de ces matériaux.
La thématique générale de ce sujet de thèse est ainsi celle de la détermination des comportements homogènes équivalents - de leur état sain jusqu'à leur ruine finale - des matériaux fortement hétérogènes et à microstructure complexe.
les résultats obtenus les dernières années dans le cadre du Laboratoire MIST sur cette thématique sont tres encourageants et ont permis des avancées notables pour les matériaux composites à matrice métallique et à inclusions fragiles, pour les matériaux poreux à matrice compressible ou incompressible ou encore pour les matériaux à gradient de propriétés. Ces gammes de matériaux concernent directement les constituants des crayons combustibles actuels (gainages de Zircaloy, combustibles U02) ou avancés (gainages MS, combustibles MOX).

Déroulement de l'étude

Les comportements équivalents de ces matériaux sont obtenus soit par des méthodes analytiques, soit par des méthodes numériques. Les méthodes analytiques permettent une prise en compte explicite de la microstructure et s'avèrent donc particulièrement prédictives; elles sont cependant limitées à un nombre réduit de comportements matériaux aux échelles élémentaires (élasticité, plasticité, viscosité). Les méthodes numériques permettent d'aborder des comportements plus complexes (élasto-visco-plasticité, endommagement, multi-fissuration) mais ne donnent souvent qu'une information indirecte sur l'effet de la microstructure sur le comportement global.
Cette thèse vise à améliorer nos connaissances dans le domaine, notamment en permettant d'étendre nos prévisions analytiques des comportemenu complexes. Ce travail relève donc de la modélisation théorique.
Les pistes d'amélioration sont nombreuses et chacune pourra être prioritairement abordée selon les goût et les compétences du candidats.
A titre d'exemple, des méthodes numériques récentes, basées sur une décomposition des comportements mécaniques en parties volumique durcissante et surfacique adoucissante (éléments finis volumiques-cohésifs), permet aujourd'hui de modéliser les comportements multiéchelles pour la classe des comportements endommageables. Un stage de master 2 est proposé pour le premier semestre 2010 durant lequel on se propose de modéliser analytiquement le comportement effectif d'une distribution aléatoire de surfaces endommageables contenues dans une matrice durcissante. Ce stage pourra servir de base aux premiers travaux de cette thèse.

Le déroulement de cette thèse comportera:

1. Une recherche bibliographique: méthodes d'homogénéisation linéaires, non linéaires à un et deux potentiels, méthodes numériques cohésives, simplifications microstructurales.
2. Une premier axe de travail concernant ['extension à ['endommagement - eventuellement couplé à de la vîscoplastîcité . de certaines méthodes d'homogénéisation. Pour cetle étape, des microstructures académiques seront utilisées afin de valider L'approche mise en oeuvre.
3. Un deuxième axe de travail de mise en pLace des techniques d'identification des paramètres des Lois de comportement homogénéisées (méthodes inverses). les informations ainsi obtenues permettront de .. redescendre .. les échelles et d'avoir accès aux propriétés des différentes phases présentes à ('échelle microscopique. On pense en particulier à la détermination par phases de propriétés d'endommagement ou de rupture. L'utilisation de microstructures réelLes pourra être un objectif majeur de la thèse.