Impact avec rupture perforation de tôles minces

Lorsque deux structures s’impactent, les échanges énergiques mis en jeu peuvent mener à la rupture d’une des deux structures comme le montre la figure 1.8. L’une peut alors venir perforer l’autre.Il est proposé dans ce chapitre, une étude sur la perforation d’une plaque en alliage d’alu- minium 2024 T3, représentative d’un fuselage d’avion, par un poinçon conique, représentatif du perforateur du système BELOCOPA.Après une bibliographie sur les expérimentions et la modélisation de la perforation (sec- tion 5.1), une étude est proposée sur des tôles d’épaisseur 2 et 4 mm. De essais sont effectués sur un puits de chute instrumentée à faibles vitesses d’impact (jusqu’à 6,5 m/s). Un modèle analytique et un modèle numérique, en éléments finis de type coque, sont proposés dans les sections 5.2.3.2 et 5.2.4. Pour de grandes vitesses de perforation, le modèle numérique permet d’identifier les transitions entre différents modes de perforation (section 5.3).L’impact d’un solide quasi-indéformable sur une cible peut produire la rupture de celle-ci.Le passage complet du solide à travers la cible est appelé perforation. Un phénomène de rup- ture à grande vitesse de déformation du matériau (rupture dynamique) est observé. Une revue bibliographique présente les essais de caractérisation et les grandes notions liés à la perforation.

Souvent, les essais de perforation sont classés en deux catégories : les essais à faible vitesse (inférieure à 50 m/s) et les essais à grande vitesse (supérieure à 50 m/s) [Grytten 2009]. Les résultats de perforation sont dépendants de la géométrie et des matériaux de l’impacteur et du domaine impacté [Iqbal 2010]. Les propriétés des matériaux sont relatives à leur comportement dynamique (élasto-visco-plastique et à la rupture). Ces effets sont mis en évidence par Grytten lors d’essais de perforation de plaques en alliage d’aluminium de désignation 5083 [Grytten 2009]. Une étude sur la variation de la vitesse de l’impacteur pendant la perforation permet une bonne description du phénomène [Borvik 2004]. La vitesse résiduelle, après impact, notée Vest alors définie comme la vitesse initiale minimale pour qu’il y ait perforation totale ou encore comme la vi- tesse pour laquelle l’impacteur a 50 % de chance de perforer la cible ([Borvik 2004], [Iqbal 2010], [Kpenyigba 2013]). Rodriguez-Martinez [Rodriguez-Martinez 2011] introduit la relation de Recht et Ipson, entre cette vitesse, la vitesse initiale VPour Jones [Jones 2008], un impacteur en forme ogive donne une énergie de perforation moins importante qu’un impacteur conique ou qu’un impacteur de forme hémisphérique (plus grande énergie). L’impacteur de forme conique donne une ouverture en pétale pour de faibles épais- seurs de plaque (4 mm). Il y a arrachement de matière pour les plaques de grandes épaisseurs (8 mm). Dans une étude sur la perforation de plaque en alliages d’aluminium, Jones [Jones 2011] montre qu’un projectile à nez plat est plus favorable à la perforation qu’un impacteur à nez hémisphérique. Jones [Jones 2008] propose une équation empirique d’un facteur énergétique f.

L’état de triaxialité dans le cible dépend de la forme de l’impacteur. Pour un impacteur plan, le taux de triaxailité est nul, pour un impacteur conique le taux de triaxialité est égale à 0.3 et pour un impacteur hémisphérique le taux de triaxialité est égale à 0.66 [Kpenyigba 2013]. Les puits de chute instrumentés ou les canons pneumatiques permettent l’étude des phéno- mènes de perforation. La force d’impact, le déplacement de l’impacteur, la déformation de la plaque peuvent être relevés à l’aide de capteurs de force, de déplacements ou par des accéléro- mètres [Grytten 2009]. Borvik [Borvik 2004] utilise en plus une caméra rapide pour l’observation de la pénétration du projectile dans la cible. La technique de stéréo-corrélation d’image per- met d’obtenir la déformation de la plaque pendant la perforation [Grytten 2007]. Afin d’obtenir une mesure de la force, certains auteurs utilisent des barres d’Hopkinson qui viennent perforer une cible [Grytten 2009], [Ramezani 2010]. Le but est la plupart du temps d’étudier la rupture à grande vitesse d’impact (>20 m/s). Rusinek [Rusinek 2009] étudie la perforation normale de plaques en acier par un poinçon hémisphérique indéformable. La plaque est fixée sur un tube d’Hopkinson jouant le rôle de barre de transmission : la force de perforation peut être relevée en calculant la valeur de la déformation dans la barre de transmission T (t) (Figure 5.1). Il compare les résultats expérimentaux avec des simulations numériques en mode de résolution explicite. Les essais sont effectués pour des vitesses jusqu’à 300 m/s. En fonction de cette vitesse et de la lubrification du contact, le mode de fissuration peut varier d’une simple ouverture de pétale à un arrachement de matière. Par exemple, pour un essai à une vitesse d’impact de 50 m/s, l’absence de lubrification provoque une perforation par arrachement d’un morceau de la cible et l’appa- rition de nombreuses fissures. À contrario, pour une même vitesse, lorsqu’il y a lubrification de la cible, le mode de perforation est par pétalisation. Le phénomène d’arrachement est expliqué par la concentration des déformations plastiques et l’apparition de strictions dans la cible. Il met aussi en évidence l’importance du gradient de température pour la rupture (la température peut s’élever de plus de 150 K).