Étalonnage du modèle Karagozian & Case pour des essais en compression et en traction d’un explosif coulable à base de 3,4-dinitropyrazole

Pourquoi des explosifs plus résistants comptent

Les armées modernes s’appuient sur des explosifs coulables puissants que l’on peut verser dans des obus et des ogives comme de la cire chaude, puis solidifier en charges denses et énergétiques. Ces matériaux sont peu coûteux et efficaces, mais aussi parfois fragiles : chocs, chutes ou explosions peuvent les fissurer ou même les détoner. Cette étude pose une question pragmatique aux grandes implications en matière de sécurité : un modèle mathématique initialement développé pour le béton peut‑il nous aider à prédire comment un nouvel explosif coulable résiste à des agressions mécaniques réelles ?

Du matériau de construction au matériau de champ de bataille

L’explosif examiné ici est à base de 3,4-dinitropyrazole (DNP), mélangé à un autre explosif puissant appelé HMX. Bien que les explosifs et le béton paraissent appartenir à des mondes différents, ils partagent des caractéristiques essentielles : tous deux sont fragiles, se fissurent sous charge et réagissent différemment selon que l’on comprime lentement, frappe rapidement ou confine sur tous les côtés. Les ingénieurs ont passé des décennies à perfectionner des modèles pour le béton capables de suivre son raidecissement, l’apparition des fissures et enfin la rupture. Les auteurs ont supposé que si l’un de ces modèles de béton pouvait être adapté aux explosifs à base de DNP, il fournirait aux concepteurs un nouvel outil puissant pour prévoir comment des ogives supportent le stockage, le transport et les impacts sans surprises dangereuses.

Soumettre l’explosif à l’épreuve

Pour explorer cette idée, l’équipe a d’abord dû mesurer le comportement de l’explosif à base de DNP en laboratoire. Ils ont moulé de petits cylindres et disques et les ont testés de trois façons. Dans des essais de compression lents, une machine d’essai universelle a comprimé les échantillons à deux vitesses de chargement très faibles, révélant la raideur du matériau et le moment où les fissures apparaissent. Dans des essais de compression à haute vitesse, une barre de Hopkinson fendue a propulsé un projectile pour délivrer un impact rapide, imitant ce que l’explosif pourrait subir lors d’explosions ou de collisions. Enfin, des essais « disque brésilien » ont permis d’induire indirectement la rupture en traction, permettant aux chercheurs d’estimer la résistance en traction et la ténacité à la fissuration — c’est‑à‑dire la facilité d’amorçage et de propagation des fissures. Ensemble, ces expériences ont dressé un portrait détaillé du comportement de l’explosif sur une large plage de conditions de chargement.

Un modèle de béton apprend un nouveau tour

Armés de ces données, les auteurs se sont tournés vers le modèle Karagozian & Case (K&C), une description sophistiquée de la réponse des matériaux fragiles soumis à la compression, à la traction et au confinement. Le modèle suit la transition d’un matériau depuis un stade élastique initial, où il reprend sa forme, en passant par un durcissement lié à la formation de microfissures, puis par un ramollissement et une défaillance à mesure que les dommages se propagent. Il tient également compte des changements de comportement lorsque les charges sont appliquées plus rapidement et lorsque le matériau est confiné. Les chercheurs ont injecté les propriétés mesurées de l’explosif à base de DNP, puis ont ajusté soigneusement les nombreux paramètres internes du modèle afin que les courbes contrainte–déformation prédites coïncident avec celles expérimentales. Ils ont réglé la vitesse d’accumulation des dommages, la façon dont le matériau se raidit aux hauts taux de chargement et la réponse volumique sous compression.

Voir à l’intérieur de la réponse du matériau

Une fois calibré, le modèle K&C a servi de banc d’essai virtuel. Il a reproduit avec précision le renforcement et le raidecissement du matériau lorsque la compression s’effectue plus rapidement, avec des erreurs sur la résistance maximale inférieures à 7 % pour les vitesses d’impact testées. Il a également capturé le parcours complet depuis le chargement initial, en passant par la croissance des fissures, jusqu’à la rupture finale. Lorsque l’équipe a simulé la compression lente, elle a légèrement ajusté la réponse volumique pour que le modèle concorde aussi bien avec les essais quasi‑statiques. Fait peut‑être le plus frappant, des essais virtuels sous différentes pressions environnantes ont montré que l’explosif changeait de comportement : avec peu ou pas de confinement, il présentait un comportement fragile, perdant rapidement de la résistance après fissuration ; sous confinement plus élevé, il se déformait davantage de manière ductile, conservant une résistance substantielle à grandes déformations et approchant une réponse presque parfaitement plastique.

Ce que cela signifie pour des conceptions plus sûres

Pour un public non spécialiste, l’essentiel est que les auteurs ont réussi à réutiliser un modèle éprouvé pour le béton afin de décrire en détail un explosif coulable moderne. En ajustant le modèle sur des essais lents et rapides, en traction comme en compression, et en capturant la transition d’un comportement fragile à un comportement proche de la ductilité sous pression, le modèle K&C devient une véritable boule de cristal fiable pour prévoir le comportement de cet explosif à l’intérieur de munitions réelles. Les concepteurs peuvent maintenant simuler la réponse des charges aux chocs, impacts et confinements sans dépendre uniquement d’expériences coûteuses et dangereuses. À long terme, ce type de modélisation peut orienter la formulation d’explosifs plus sûrs, des structures d’ogives plus robustes et des évaluations de risque plus précises là où des explosifs coulables sont utilisés.

Citation: Xu, Y., Gao, J., Fu, P. et al. Calibration of the Karagozian & Case model for compression and tensile tests of a 3,4-dinitropyrazole-based melt-cast explosive. Sci Rep 16, 8391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39651-9

Mots-clés: explosifs coulables, comportement mécanique, modélisation constitutive, chargement dynamique, sécurité des matériaux