A viscoelastic damage model for ice

ABSTRACT: This study presents a three-dimensional constitutive model for polycrystalline ice that captures the coupled effects of temperature, strain rate, and pressure within a unified thermomechanical framework. A Maxwell rheological element combined with damage mechanics is employed to represent the viscoelastic behavior of ice across both ductile and brittle regimes. The model incorporates a viscosity formulation that depends explicitly on temperature and stress. Damage evolution is governed by an energy-based criterion that is sensitive to both thermal and kinematic conditions. Calibration against triaxial compression and stress relaxation experiments demonstrates the capability of the model to reproduce key features of ice behavior, including ductile-to-brittle transitions, strain-rate-dependent strength, stress relaxation, and thermal softening. Additionally, a novel healing mechanism inspired by viscous sintering is introduced, in which damage reversal is driven by viscous energy dissipation.

RÉSUMÉ: Cette étude présente un modèle de comportement tridimensionnel pour la glace polycristalline, qui prend en compte les effets couplés de la température, de la vitesse de déformation et de la pression dans un cadre thermomécanique unifié. Un élément rhéologique de Maxwell, combiné à la mécanique de l’endommagement, est utilisé pour représenter le comportement viscoélastique de la glace dans les régimes ductile et fragile. Le modèle intègre une formulation de la viscosité dépendant explicitement de la température et de la contrainte. L’évolution de l’endommagement est régie par un critère énergétique sensible aux conditions thermiques et cinématiques. L’étalonnage du modèle à l’aide d’essais de compression triaxiale et de relaxation des contraintes montre sa capacité à reproduire les principales caractéristiques du comportement de la glace, telles que les transitions ductile-fragile, la résistance dépendante du taux de déformation, la relaxation des contraintes et le ramollissement thermique. De plus, un mécanisme de cicatrisation inédit, inspiré du frittage visqueux, est introduit, dans lequel l’inversion de l’endommagement est pilotée par la dissipation d’énergie visqueuse.