Nonlinear thermomechanical modeling of refractory masonry linings
Modélisation thermomécanique non linéaire de maçonneries réfractaires
Résumé
This thesis is a part of a European-funded Marie Curie research project dedicated to "Advanced THermomechanical multi-scale mOdelling of Refractory linings (ATHOR)". The main goals of this study are first, to characterize the mechanical and thermomechanical behavior of refractory masonries with dry joints under a wide range of thermomechanical loading conditions. Secondly, developing rigorous and computationally efficient numerical models for the design and optimization of refractory masonry linings with and without mortar. The mechanical and thermomechanical behavior of refractory masonry with dry joints have been investigated. Uniaxial compression tests, in the directions normal to bed and head joints, and biaxial compression tests at room temperature were performed. Uniaxial and biaxial creep tests as well as biaxial relaxation tests at high temperatures were carried out. The results of these tests help in understanding the complex thermomechanical behavior of refractory linings. The impacts of joints, joints closure and reopening, dimensional and shape errors of the bricks on the thermomechanical behavior were investigated. Then, multi-scale numerical models of masonry, with or without mortar, were developed. The models consider the orthotropic, nonlinear, elastic viscoplastic behavior of refractory masonry and account for joints closure or opening. The developed models, based on the nonlinear homogenization technique, were calibrated and validated by comparing the experimental and numerical results of masonries subjected to a wide range of thermomechanical loading conditions. The numerical results provide more insights on the thermomechanical response of refractory linings and assist in understanding their complex mechanical and thermomechanical behaviors. The validated models were employed to predict the transient thermomechanical response of an industrial scale steel ladle. The experimental methods, results, and the developed multi-scale models presented in this study open very interesting ways and provide new insights that could be helpful for the design and optimization of refractory linings used in several high-temperature industries.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche Marie Curie financé par l’Union Européenne et consacré à "Advanced THermomechanical multiscale mOdelling of Refractory linings (ATHOR)". Les principaux objectifs de cette étude sont premièrement, la caractérisation du comportement mécanique et thermomécanique des maçonneries réfractaires sous une large gamme de conditions de chargement thermomécanique. Deuxièmement, développer des modèles numériques rigoureux et efficaces, en termes de calcul, pour les maçonneries réfractaires avec ou sans mortier. Le comportement mécanique et thermomécanique d’une maçonnerie réfractaire avec des joints sans mortier a été étudié pour une large gamme de conditions de chargement à température ambiante et à hautes températures (jusqu’à 1500 oC). Des essais de compression uniaxiale, dans les directions normales aux joints horizontaux ou verticaux, et des essais de compression biaxiale à température ambiante ont été réalisés. Des essais de fluage uniaxial, biaxial et de relaxation biaxiale ont été également réalisés à hautes températures. Les résultats de ces essais aident à comprendre le comportement thermomécanique complexe des revêtements réfractaires. L’impact des joints, leur fermeture et ouverture, des erreurs dimensionnelles et de forme des briques sont expliqués. Ensuite, des modèles numé- riques multi-échelles de maçonnerie ont été développés en se basent sur de l’homogénéisation non linéaire. Les modèles considèrent le comportement élasto-viscoplastique orthotrope de la maçonnerie réfractaire et tiennent compte de la fermeture et/ou de l’ouverture des joints. Les modèles développés ont été calibrés et validés en comparant les résultats expérimentaux et numériques de maçonneries soumises à une large gamme de conditions de chargement thermomécanique. Les résultats numériques donnent des précisions sur la réponse thermomécanique des revêtements réfractaires et aident à comprendre leur comportement mécanique complexe. Les modèles validés ont été utilisés pour prédire la réponse thermomécanique transitoire d’une poche à acier à l’échelle industrielle. Les méthodes expérimentales, les résultats et les modèles multi-échelles développés et présentés dans cette étude ouvrent de nouvelles perspectives intéressantes pour la conception et l’optimisation des revêtements réfractaires utilisés dans différentes structures industrielles.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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