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Dans cette section, le modèle d’anneau à 4 nœuds est présenté. Avant d’introduire le

modèle, le comportement mécanique des anneaux en acier soumis à des sollicitations de

traction est rappelé de façon qualitative. Lorsqu’un anneau est soumis à des sollicitations

externes de traction, celui-ci subit des déformations de flexion composée. Initialement de

forme circulaire, l’anneau se déforme sous l’effet des efforts extérieurs qui lui sont

appli-qués (Figure 3.1). Deux régimes de déformation successifs [Nicot et al., 2001b, Escallón

et al., 2014] peuvent alors être identifiés :

– le régime de flexion, dans la première phase de déformation, au cours duquel les

déformations dues à la flexion sont prédominantes. L’anneau est quasi-inextensible

(périmètre constant) et subit de grands déplacements,

– le régime de traction, dans la seconde phase de déformation, au cours duquel les

déformations dues à la flexion n’évoluent plus et la traction est prédominante.

L’an-neau subit de faibles déplacements et son périmètre augmente.

Forme initiale R´egime de flexion R´egime de traction

Figure 3.1 – Régimes de déformation d’un anneau

Dans le régime de flexion, l’anneau commence par se déformer de façon élastique

jusqu’à l’apparition des premières déformations plastiques. La déformation se poursuit

alors avec d’importants changements de forme de l’anneau et de grands déplacements dus

à la flexion plastique dans les zones de forte courbure. Au cours de cette déformation,

la raideur élastique de l’anneau (en tant que structure mécanique) augmente comme le

démontre Tse [Tse and Lung, 2000] dans le cas d’un anneau parfaitement élastique. Des

phénomènes similaires sont également observés lorsque l’anneau subit des déformations

irréversibles. Les travaux de Nicot [Nicot et al., 2001b] montrent que lorsque l’on effectue

des cycles de chargement-déchargement à des niveaux de déplacement axial croissants,

plus le déplacement est élevé, plus la raideur de l’anneau en décharge est élevée. Cette

augmentation de raideur est donc de nature purement géométrique puisque les décharges

sont élastiques. La déformation de l’anneau favorise l’alignement de sa fibre moyenne avec

les directions de chargement, augmentant ainsi sa raideur géométrique. Une fois l’anneau

déchargé, lorsque les sollicitations extérieures sont nulles, l’anneau possède une

déforma-tion résiduelle. La tension dans le pourtour disparait mais à cause de la forme de l’anneau,

refermé sur lui-même, et du comportement élastoplastique du matériau, des contraintes

résiduelles de flexion demeurent et l’anneau se trouve dans un état auto-contraint. Durant

la totalité du régime de flexion, la raideur de l’anneau reste faible. Le régime de flexion se

termine lorsque aucune déformation de flexion supplémentaire n’est possible et que

l’an-neau possède la forme du polygone funiculaire associé aux efforts extérieurs appliqués. Les

efforts de flexion restent alors constants et le régime de traction démarre. L’anneau subit

alors principalement des efforts internes de traction [Nicot et al., 2001b] et sa raideur

est par conséquent très élevée. Ces comportements mécaniques propres aux anneaux en

acier sont illustrés par de nombreuses études expérimentales, notamment [Grassl et al.,

2002,Nicot et al., 2001a,Escallón et al., 2014], et sont discutés en section 3.5 dans laquelle

les résultats de la campagne expérimentale menée sont présentés.

3.2.1 Hypothèses de modélisation et discrétisation

Dans le cas des filets à anneaux entrelacés à 4 contacts, chaque anneau interne à la

nappe est relié à 4 anneaux voisins (Figure 3.2a). Le cas particulier des anneaux externes,

reliés à 2 anneaux voisins et à un câble de rive, est entièrement traité dans l’annexe B.1.

Nous nous concentrons ici sur le modèle général des anneaux internes à la nappe

possé-dant 4 anneaux voisins. La discrétisation de l’anneau doit a minima représenter chacun

des 4 points de contact de l’anneau avec ses 4 voisins. Une telle discrétisation d’un

an-neau circulaire, si elle est régulière et symétrique, ne peut se faire qu’à l’aide de4nnœuds

(n≥1) répartis de façon homogène sur le pourtour de celui-ci. Il existe un cas dégénéré

qui correspond à associer à un anneau un seul et unique nœud de discrétisation. C’est le

choix qui est fait par Nicot [Nicot et al., 2001a, Nicot et al., 2001b] et Gentilini [Gentilini

et al., 2012]. Pour n= 1, une discrétisation minimale à 4 nœuds de la structure d’anneau

est obtenue, chaque nœud de discrétisation représentant le point de contact de l’anneau

avec les 4 anneaux voisins. Ce choix est notamment adopté par Volkwein [Volkwein, 2004].

Pour n= 2, on obtient un anneau à 8 nœuds. Grassl [Grassl, 2002] utilise un tel modèle

dans lequel 4 nœuds représentent un point de contact avec un anneau voisin et sont

cha-cun encadrés par deux nœuds fixes de discrétisation de l’anneau entre lesquels ils sont

libres de se déplacer. Cette discrétisation permet de mieux appréhender les déformations

de flexion mais est plus coûteuse en temps de calcul, chaque nappe étant composée de

plusieurs dizaines d’anneaux. Pour n > 2, une approche similaire à celle de Grassl

li-miterait l’amplitude de glissement des points de contact. En effet, les nœuds situés aux

points de contact ne peuvent se déplacer qu’entre les deux nœuds fixes qui les encadrent

et qui sont de plus en plus proches lorsquen augmente. Des méthodes spécifiques

permet-tant aux nœuds de contact de se déplacer sur de plus grandes amplitudes devraient alors

être développées, rendant les modèles complexes et le coût de calcul associé important.

Des discrétisations plus fines peuvent être effectuées si l’on ne définit pas explicitement

les points de contact dans la discrétisation de l’anneau. La condition portant sur les 4n

nœuds de discrétisation peut alors ne pas être respectée. En revanche, il devient nécessaire

de définir une loi de contact entre les différents anneaux. Escallón [Escallón et al., 2014]

utilise par exemple un modèle FEM tridimensionnel d’anneau formé par une succession

d’éléments poutres linéaires et utilise l’algorithme général de contact du logiciel

commer-cial Abaqus afin de modéliser les interactions entre les différents anneaux. Ce modèle se

révèle très coûteux en temps de calcul et les hypothèses géométriques associées à l’emploi

d’éléments de poutres ne permettent pas de bien rendre compte du comportement dans

les deux régimes de flexion et de traction.

Le modèle discret d’anneau développé ici se compose de 4 nœuds qui interagissent à

travers un ensemble de 7 liaisons : 1 liaison de pourtour, 2 liaisons diagonales et 4 liaisons

de bord (Figure 3.2b). Le choix de la discrétisation minimale à 4 nœuds assure un coût

de calcul faible par rapport au modèle continu d’Escallón [Escallón et al., 2014] ou au

modèle à 8 nœuds de Grassl [Grassl, 2002], tout en permettant une prise en compte des

déformations de l’anneau que les modèles dégénérés à 1 nœud ne peuvent reproduire.

La nature des liaisons utilisées permet également de tenir compte précisément des

méca-nismes irréversibles décrits précédemment. Pour une même discrétisation, le modèle à 4

nœuds de Volkwein [Volkwein, 2004] est parfaitement réversible dans le régime de flexion

et ne permet pas de décrire correctement l’état d’un anneau déformé ou d’un filet après

impact. La masse d’un anneau est répartie de façon égale sur chacun des 4 nœuds. Le

(a)

Liaison de pourtour Liaisons de bord Liaisons diagonales

(b)

Figure 3.2 – (a) filet d’anneaux entrelacés à 4 contacts ; (b) modèle discret d’anneau à

4 nœuds développé

rôle et les propriétés de chaque liaison sont détaillés ci-après.

Liaison de pourtour

La liaison de pourtour forme une boucle refermée sur elle-même, de façon analogue

à la structure d’anneau circulaire. Cela permet d’obtenir une bonne description des

va-riations de courbure de l’anneau (ovalisation) au cours de sa déformation [Tse and Lung,

2000]. Ainsi, cette liaison développe uniquement des efforts de traction. Les efforts

in-ternes de traction dans un anneau réel sont repris le long de son pourtour. De par la

discrétisation en 4 nœuds, les efforts de traction développés par la liaison de pourtour

représentent le comportement en flexion composée d’arcs plans d’anneau en acier soumis

à des sollicitations externes de traction.

Liaisons internes

Nous nous référerons aux liaisons diagonales et aux liaisons de bord en tant que

liaisons internes. Ces liaisons sont de natures différentes mais possèdent des fonctions

similaires : elles représentent la flexion plastique plane des sections de l’anneau soumises

à de fortes variations de courbure. Les liaisons internes empêchent également l’apparition

de modes de déformation à énergie nulle (effet sablier) en équilibrant les efforts de traction

développés par la liaison de pourtour avec des efforts de compression.

Les interactions entre les nœuds de discrétisation à travers la combinaison de ces

7 liaisons permettent de modéliser le régime de flexion initial, avec une faible raideur

de l’anneau, ainsi que le régime de traction avec une forte raideur de l’anneau. L’état

séparant les deux régimes de déformation est appelé état de transition, l’ensemble des

grandeurs se référant à l’état de transition sont indicées avec unrdans la suite. Les lois de

comportement des liaisons internes et de la liaison de pourtour sont maintenant définies.

3.2.2 Loi de comportement des liaisons internes

Les liaisons diagonales et de bord partagent une loi de comportement de même nature.

Nous affectons aux liaisons internes un comportement élastoplastique prenant en compte

le raidissement géométrique de la structure d’anneau démontré par Tse [Tse and Lung,

2000]. Une loi de comportement unidimensionnelle est développée, nous l’introduisons

en termes de contrainte axiale σ et de déformation axiale ε dans un premier temps,

avant d’établir une formulation en force et déplacement, plus adaptée au modèle discret.

La déformation élastique ε

e

et la déformation plastique ε

p

sont définies à partir de la

partition des déformations : ε = ε

e

p

. La contrainte axiale dans la liaison est définie

par σ = Eε

e

. Soient E la valeur actuelle du module d’élasticité et E

0

sa valeur initiale,

nous définissons la variable de raidissement géométrique des liaisons internes G

int

par :

G

int

= E

E

0

≥1 (3.1)

Étant donné que les changements de forme de l’anneau sont principalement dus à des

mécanismes de flexion plastique, nous faisons l’hypothèse que la contribution des

défor-mations élastiques au raidissement de l’anneau est négligeable devant celle des

déforma-tions plastiques. Nous établissons alors que G

int

= g

int(

ε

p

) est une fonction croissante

ne dépendant que de la déformation plastique de la liaison et vérifiant g

int

p

= 0) = 1.

Les premières déformations plastiques n’apparaissent pas instantanément lors de la

dé-formation et le raidissement est initialement très faible, nous ajoutons donc la condition

initiale supplémentaire suivante :dg

int

/dε

p

p

= 0) = 0. La fonction de charge des liaisons

internes est définie par :

f(σ) =σ ≤0 (3.2)

Ce choix nous permet de garantir que les liaisons internes travaillent uniquement en

compression. Nous définissons la loi d’écoulement en plasticité associée, ε˙

p

=λ∂f /∂σ où

λest un scalaire appelé multiplicateur plastique. Le taux de déformation dans le domaine

plastique est alors donné par les conditions de Karush-Kuhn-Tucker et la condition de

cohérence :

λ≤0 , f(σ)≤0 , λf(σ) = 0

λf˙(σ) = 0 (3.3)

Nous obtenons alors la loi de comportement suivante pour les liaisons internes, exprimée

en fonction de la contrainte et de la déformation axiale :

˙

ε= ˙ε

e

ε˙

p

= 0 σ =G

int

E

0

ε

e

≤0 si f <0 ouf = 0 etf <˙ 0

˙

ε= ˙ε

p

>0 ε˙

e

= 0 σ = 0 si f = 0 etf˙= 0 (3.4)

et nous choisissons une fonction puissance pour la fonction de raidissement géométrique

des liaisons internes g

int

:

g

int(

ε

p

) =

1 si ε

p

< ε

ph

avec ε

ph

la plus grande déformation plastique n’entrainant pas de raidissement et α > 0

etβ >1 des coefficients à déterminer.

Nous allons maintenant déduire des relations précédemment établies une formulation

en force et en déplacement axial de la loi de comportement des liaisons internes (Figure

3.3). Considérons pour la liaison unidimensionnelle une section constanteA, ainsi qu’une

longueur de référence l

0

. En utilisant la mesure de déformation de Cauchy, la longueur

de la liaison est obtenue par :

l=l

0

(1 +ε) (3.6)

D’après les équations (3.4), nous pouvons observer que pour un niveau de déformation

plastique donné, la longueur maximale de la liaison est obtenue lorsque la déformation

élastique est nulle. En effet, la liaison ne reprenant que des contraintes de compression,

les déformations élastiques sont toujours négatives. Nous pouvons alors définirl

i

, la plus

grande longueur atteinte par la liaison comme :

l

i

= max(l) =l

0

(1 +ε

p

) (3.7)

l

i

est donc une variable de mémoire contenant l’information sur l’état de plastification de

la liaison. La déformation élastique de la liaison est alors directement obtenue à partir de

la partition des déformations et des relations (3.6) et (3.7) :

ε

e

= l−l

i

l

0

(3.8)

La force axiale dans la liaison est donnée parF =σAet la fonction de charge peut s’écrire

f(F) = F ≤ 0. En introduisant la raideur initiale k

0

=E

0

A/l

0

, la loi de comportement

de la liaison interne, exprimée en fonction de la force et du déplacement axial s’écrit :

∆l 6= 0 ∆l

i

= 0 F =G

int

k

0

(l−l

i)

si f <0 ouf = 0 etf <˙ 0

∆l >0 ∆l

i

= ∆l F = 0 si f = 0 etf˙= 0 (3.9)

et la fonction de raidissement géométrique g

int

devient :

G

int

=g

int(

l

i) =

1 si l

i

< l

ih

1 +a

int

(l

i

−l

ih

)

bint

si l

i

> l

ih

(3.10)

avecl

ih

la plus grande longueur de la liaison n’entrainant pas de raidissement et a

int

>0

etb

int

>1des coefficients à déterminer. La raideur initiale et la fonction de raidissement

géométrique sont respectivement notées k

d

et g

d

pour les diagonales et k

s

et g

s

pour les

bords. La plus grande longueur n’entrainant pas de raidissement, ainsi que les coefficients

de la fonction de raidissement sont eux respectivement notés d

ih

, a

d

, b

d

ets

ih

,a

s

, b

s

.

3.2.3 Loi de comportement de la liaison de pourtour

De façon similaire aux liaisons internes, nous affectons à la liaison de pourtour une loi

de comportement élastoplastique. Le comportement élastoplastique de cette liaison est

inspiré du modèle développé par Nicot [Nicot et al., 2001b] afin de traiter le comportement

d’un anneau soumis à une traction uniaxiale. Les propriétés principales du modèle de

Nicot sont d’abord rappelées (la formulation élastoplastique détaillée est présentée dans

l

Finterne

l

0

k

0

G1k0

Gnk0

l

i1

l

in

1≤G

1

≤ · · ·< G

n

≤ · · ·

0

l

0

≤l

i1

≤ · · · ≤l

in

≤ · · ·

Figure 3.3 – Loi de comportement des liaisons internes

[Nicot et al., 2001b]) avant d’en déduire une formulation en force-déplacement simplifiée

pour la liaison de pourtour.

La longueur de référence de la liaison de pourtour est notée L

0

, sa longueur actuelle

est notée L et sa longueur à l’état de transition est notée L

r

. Dans un premier temps,

pour un allongement compris entre L=L

0

et L=L

ih

, la réponse de la liaison est

élas-tique. Cette étape correspond à une flexion élastique de l’anneau, avecL

ih

la plus grande

longueur n’entrainant pas de déformations plastiques. Dans un deuxième temps, pour un

allongement compris entre L = L

ih

et L = L

r

, la réponse est élastoplastique et

corres-pond à la phase du régime de flexion durant laquelle l’anneau subit des efforts internes de

flexion composée et de grands déplacements. La liaison a un comportement irréversible

durant cette phase, le chemin de déchargement diffère du chemin de chargement et on

observe une augmentation de la raideur élastique comme expliqué en début de section 3.2.

Dans un troisième temps, pour un allongement supérieur à L = L

r

, la liaison présente

une réponse élastique correspondant au régime de traction de l’anneau. La raideur de la

liaison est très élevée lors du régime de traction (Figure 3.4).

La relation monotone force-déplacement de la liaison de pourtour développée ici est

choisie affine par morceaux. Nicot propose une relation à 5 intervalles, basée sur les

résultats d’essais de traction sur anneaux. Afin d’être cohérents avec la distinction que

nous avons établie entre le régime de flexion et le régime de traction, nous utilisons

une relation affine par morceaux à 2 intervalles de raideur k

b

et k

t

> k

b

. Le premier

intervalle, de raideurk

b

, correspond au régime de flexion élastoplastique de faible raideur

de l’anneau tandis que le second intervalle, de raideur k

t

correspond lui au régime de

traction élastique de forte raideur. La séparation entre ces deux intervalles se fait lorsque

le pourtour atteint la longueur de transitionL=L

r

(Figure 3.4). Comme pour les liaisons

internes, une variable de raidissement géométrique G

p

est définie dans le but de prendre

en compte l’augmentation de la raideur élastiquek

e

au cours du régime de flexion. Nous

définissons cette variable comme suit :

G

p

= k

e

k

b

≥1 (3.11)

Nous avons fait l’hypothèse que la raideur élastique dépendait uniquement des

déforma-tions plastiques, ici l’allongement plastique ∆L

p

. De même que pour les liaisons internes,

nous écrivons G

p

= g

p(∆

L

p

). Lorsque la liaison est chargée de façon monotone dans le

régime de flexion (L < L

r

), elle subit un allongement élastique et plastique et présente

une raideur tangente k

b

. Lorsque la liaison est déchargée, elle suit une branche élastique

linéaire de raideur tangente k

e

= G

p

k

b

jusqu’à ce que la force s’annule. En cas de

re-chargement, la même branche élastique est empruntée jusqu’à atteindre le point où la

décharge avait démarré (Figure 3.4). Dans le régime de traction, la raideur élastique vaut

k

t

, limitant ainsi la valeur de la variable de raidissement géométrique à G

p

≤k

t

/k

b

.

La liaison subit uniquement des efforts de traction et par conséquent des allongements

positifs, l’allongement plastique ne peut donc pas décroitre et ne peut augmenter que

lorsque la longueur de la liaison augmente. Durant les phases de déformation élastique,

il n’y a pas de variation de l’allongement plastique (˙L

p

= 0), l’allongement plastique

augmente donc uniquement lors des phases de chargement dans le domaine

élastoplas-tique. De façon analogue à ce qui est fait pour les liaisons internes (Équation 3.7), nous

définissons la plus grande longueur atteinte L

i

= max(L), il est alors possible d’exprimer

l’allongement plastique en fonction de la variable de mémoire L

i

par ∆L

p

= z(L

i

) où z

est une fonction croissante. La relation force-déplacement de la liaison de pourtour, ainsi

que la variable de raidissement géométrique G

p

peuvent alors être exprimées en fonction

de la plus grande longueur atteinteL

i

. La relation force-déplacement est alors donnée par

la relation (3.12).

F =

k

b(

L−L

0

) si L=L

i

< L

r

(charge)

k

b(

L

i

−L

0

) +G

p

k

b(

L−L

i)

si L < L

i

< L

r

(d´echarge)

k

b

(L

r

−L

0

) +k

t

(L−L

r

) si L > L

r

(3.12)

Les premières déformations plastiques n’apparaissent pas instantanément lors de la

dé-formation. Lorsque L

i

< L

ih

, c’est-à-dire lorsque ∆L

p

= 0, la liaison est sollicitée dans

le domaine élastique et G

p

= 1. Lorsque L

i

> L

ih

et donc ∆L

p

> 0, la liaison a subi

des déformations élastiques et plastiques et G

p

> 1. Nous établissons, comme pour les

liaisons internes, queG

p

=g

p

(L

i

)est une fonction croissante deL

i

affectée des conditions

initialesg

p(

L

i

=L

0

) = 1 et dg

p

/dL

i(

L

i

=L

0

) = 0. Une fonction puissance est également

choisie pour g

p

:

G

p

=g

p

(L

i

) =

1 si L

i

< L

ih

1 +a

p

(L

i

−L

ih

)

bp

si L

r

> L

i

> L

ih

(3.13)

avec a

p

>0et b

p

>1des coefficients à déterminer.