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D´ emarche de mod´ elisation

La d´emarche de mod´elisation que nous avons retenue est sch´ematis´ee sur la figure 3.1.

Dans notre code d’´el´ements discrets, nous consid´ererons que chaque bloc est un point mat´eriel

Figure3.1 –Sch´ema repr´esentant la d´emarche de mod´elisation par ´el´ements discrets

ayant six degr´es de libert´e. Chacun des blocs se trouvant `a l’int´erieur de l’assemblage est en

contact avec six voisins. Les blocs ext´erieurs ont seulement trois ou quatre voisins. L’hypoth`ese

de d´epart est que les blocs sont en contact seulement deux `a deux. Il est donc n´ecessaire de

connaˆıtre les lois de contact entre deux blocs. Pour cela, nous avons mod´elis´e chaque interaction

´

el´ementaire entre deux blocs par ´el´ements finis. Une fois que ces lois sont introduites dans le

code d’´el´ements discrets, il est alors possible de simuler des assemblages comportant un grand

nombre de blocs en contact en utilisant le Principe Fondamental de la Dynamique.

3.2.1 Mod´elisation d’un bloc

Dans la m´ethode discr`ete, chaque bloc est assimil´e `a un point mat´eriel correspondant `a

son barycentre avec six degr´es de libert´e (3 coordonn´ees et 3 angles) : `a chaque bloc, seront

associ´ees une position exprim´ee sous la forme d’un vecteur qui traduit une translation du centre

de gravit´e du bloc et une orientation exprim´ee sous la forme d’une matrice de passage entre le

rep`ere local et le rep`ere du laboratoire qui traduit une op´eration de rotation du bloc.

3.2.2 Mod´elisation de l’interface

Des lois d’interaction sont introduites pour mod´eliser le comportement entre deux blocs en

contact. Typiquement, dans le cas d’un pavage 2D de blocs ost´eomorphes, chaque bloc est en

contact avec six voisins (voir figure 3.1) ce qui n´ecessite de connaˆıtre les lois de contact pour

chacune des 6 interfaces. Il est donc n´ecessaire de d´efinir des lois locales pour chaque interface

entre deux ´el´ements discrets. Ces lois sont difficiles `a pr´edire analytiquement, elles sont donc

estim´ees par ´el´ements finis en utilisant le logiciel Abaqus. Ces simulations sont facilement

r´ealisables, car elles ne mettent en jeu que deux blocs.

3.2.3 Mod´elisation par ´el´ements finis de l’interaction entre deux

blocs

Les autobloquants pr´esentent un int´erˆet particulier dans le cas de mat´eriaux fragiles. On

suppose que les mat´eriaux restent dans le domaine ´elastique. Les lois de comportement sont

alors calcul´ees par ´el´ements finis grˆace au logiciel Abaqus [2011]. Dans le cas des cubes, le

contact a lieu entre des surfaces planes et les sym´etries de l’assemblage permettent d’utiliser les

3.2. D ´emarche de mod ´elisation

mˆemes lois de comportement pour les 6 interfaces d’un bloc donn´e (voir sur la figure 3.2a). En

outre, dans le cas particulier des pavages de blocs ost´eomorphes, nous pouvons constater deux

types d’interfaces diff´erentes, nous aurons donc deux cat´egories de lois (voir sur la figure 3.2b) :

– les lois de contact entre les surfaces planes des blocs (en orange)

– les lois de contact entre les surfaces r´egl´ees (en jaune)

(a)Zones de contacts sur un cube (b)Zones de contacts

sur un bloc

ost´eomorphe

Figure 3.2 –Contacts sur les blocs ´etudi´es

L’identification des lois de contact par ´el´ements finis est effectu´ee en appliquant une

translation ou une rotation `a un bloc et en mesurant le torseur de r´eaction au contact. Ce

torseur peut se r´esumer `a un glisseur d´efini par la r´esultante des efforts au contact et le point

d’application pour lequel le moment est nul.

Une fois ces lois locales introduites dans le code d’´el´ements discrets, il est alors possible

de mod´eliser un assemblage entier. La m´ethode des ´el´ements discrets permet en principe de

mod´eliser de gros assemblages plus rapidement que par ´el´ements finis.

Le contact n’ayant lieu que sur une partie des blocs, nous n’effectuerons les calculs

d’identi-fication des lois de contact que sur des demi-blocs, ce qui permet de r´eduire le temps de calcul

sous Abaqus.

3.2.4 Conditions aux limites

Les conditions aux limites concernent les conditions appliqu´ees au bloc indent´e, et les

condi-tions appliqu´ees aux blocs se trouvant au bord de l’assemblage (pr´ecompression lat´erale, voir

sur la figure 3.3a).

Dans le code d’´el´ements discrets, on commence par appliquer la pr´econtrainte lat´erale en

appliquant un d´eplacement aux blocs se trouvant sur les bords de l’assemblage. Une fois ce

premier ´etat d’´equilibre atteint, le chargement sera appliqu´e sur le(s) bloc(s) indent´e(s) (voir

sur la figure 3.3b).

(a)Pr´ecompression sur un

assemblage de cubes

(b) Indentation sur un

as-semblage de cubes

Figure 3.3 –Conditions aux limites

3.2.5 Recherche de l’´equilibre

Le chargement est appliqu´e incr´ementalement de mani`ere quasi statique. Pour chaque

pas de chargement, le programme va rechercher la position et l’orientation de chacun des

blocs jusqu’`a ce que l’assemblage soit dans un ´etat d’´equilibre. L’assemblage sera consid´er´e

`

a l’´equilibre lorsque la somme des forces de chacun des blocs et la somme des moments de

chacun des blocs sont proches de z´ero.

Le diagramme suivant (figure 3.4) montre l’algorithme de r´esolution utilis´e dans le code

d’´el´ements discrets. Il s’agit de l’algorithme Verlet-cin´etique souvent utilis´e dans la m´ethode de

r´esolution par ´el´ements discrets. Cet algorithme est d´etaill´e dans les paragraphes suivants.

3.2. D ´emarche de mod ´elisation

Cr´eation de l’assemblage

?

Application de la pr´econtrainte boucle sur le nombre d0etapes d0application de la precontrainte

?

Recherche de l’´equilibre

?

-Application de l’indentation boucle sur le nombre d0etapes de d0indentation

?

Recherche de l’´equilibre

?

-Sauvegarde du pavage, des forces, moments, rotations, d´eplacements, orientations et positions Tant que l’´equilibre n’est pas trouv´e

R´esolution des ´equations d’´equilibre§3.3.9 boucle sur lesblocs Mise `a jour des positions et orientations§3.3.9 boucle

sur les blocs Quenching§3.3.9.1 bouclesur les blocs Calcul des rotations et d´eplacements§3.3.3et§3.3.4 boucle sur les

interf aces Calcul des forces et des moments aux interfaces§3.3.5et§3.3.6

boucle sur les interf aces V´erification de l’´equilibre§3.3.8 boucle sur les blocs

3.3 Algorithme utilis´e dans le code d’´el´ements discrets