Homogénéisation périodique d'un matériau élastoplastique compressible anisotrope : application aux structures sandwichs à coeur cellulaire

Grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques spécifiques, les matériaux cellulaires architecturés présentent un fort intérêt pour répondre aux problématiques du secteur aéronautique, notamment pour la tenue structurale et la résistance à l'impact. De par leurs architectures, ces matériaux présentent en général trois échelles caractéristiques: l'échelle macroscopique de la structure, l'échelle mésoscopique associée à la cellule élémentaire et l'échelle microscopique liée au matériau constitutif. La modélisation d'architectures de grande dimension est difficile à mettre en oeuvre car couteuse en temps de calcul. Pour contourner ce problème, la mise en place d'une modélisation multi-échelle basée sur l'identification d'une Loi Homogène Equivalente (LHE) est proposée. L'étude du comportement multi-axial du matériau cellulaire à l'échelle de son Volume Elémentaire Représentatif (VER) nous permet, par homogénéisation périodique, d'expliciter le comportement macroscopique et d'identifier une LHE compressible et anisotrope. La structure sandwich est ensuite modélisée en remplaçant le coeur cellulaire par un Milieu Homogène Equivalent (MHE). Pour des cas de chargements quasi-statiques, l'influence des effets de bords sur le comportement macroscopique de la structure en fonction des différents types d'empilement des tubes, de la taille des structures sandwichs et du type de chargement a été analysée. La méthode donne des résultats satisfaisants mais présente des limites quant à la validité de la séparation des échelles, indispensable à l'approche par homogénéisation, il est donc envisagé d'enrichir la méthode par les milieux continus généralisés pour mieux prendre en compte les phénomènes induits par la localisation des déformations. Une confrontation avec des essais mécaniques sera entreprise pour discuter de la validité des modèles proposés, avec une extension progressive à des chargements dynamiques

Tensions sur les ressources minérales : pourraient-elles impacter les trajectoires de décarbonation du transport aérien mondial ?

In order to reduce its CO2 emissions, the air transportation sector has imagined different trajectories for decarbonizing its traffic. It thus relies on the deployment of new aircraft fleets that will be more fuel efficient, but also on the introduction of alternative fuels, such as e-fuels, and hydrogen. As a research organization dedicated to aeronautics and space, ONERA is involved in the construction of these scenarios. However, at the aircraft and fuel production level, their implementation will involve significant mineral resourcerequirements. These resources may be specific to the aeronautical sector or associated with energy production, the scenarios envisaged being based directly or indirectly on the significant use of low-carbon electricity. By estimating the material footprints of the aircraft and the various sources of low-carbon fuels involved, we focus on mapping resources that could be critical for the implementation of these scenarios. It is a question of analyzing the needs in terms of availability with regard to world demand. Prospectively, it is also a matter of assessing the robustness of the aforementioned scenarios and identifying possible avenues to address potential supply pressures on some of these resources.Afin de diminuer ses émissions de CO2, le secteur aérien imagine différentes trajectoires de décarbonation de son trafic. Il compte ainsi sur le déploiement de nouvelles flottes d’avions plus sobres en termes de consommation de carburants, mais aussi sur l’introduction de carburants alternatifs tels les électro-carburants, et de l’hydrogène. En tant qu’organisme de recherche dédié à l’aéronautique et au spatial, l’ONERA est partie prenante dans la construction de ces scénarios. Cependant, à l’échelle de l’avion et de la production de ses carburants, leur mise en œuvre nécessitera d’importants besoins en ressources minérales. Ces ressources pourront être spécifiques au secteur aéronautique ou associées à la production d’énergie, les scénarios envisagés reposant directement ou indirectement sur l’utilisation importante d’électricité décarbonée. Grâce à l’estimation des empreintes matières des aéronefs et des différentes filières pour la production des carburants décarbonés, nous nous attachons à cartographier les ressources qui pourraient être critiques dans la perspective de la mise en œuvre de ces scénarios. Il s’agit d’analyser les besoins en termes de disponibilité vis-à-vis de la demande mondiale. De façon prospective, il s’agit aussi d’évaluer la robustesse des scénarios de décarbonation et d’identifier des pistes possibles pour pallier d’éventuelles tensions d’approvisionnement sur certaines de ces ressources

Comportement mécanique des architectures cellulaires - Du matériau à la structure

This manuscript has been written with the purpose to obtain my habilitation degree to supervise researches. It is divided into three distinct parts. The first part presents my resume since my PhD Thesis, whereas the second one is dedicated to the main issue I have been working on since my hiring at ONERA. It aims at investigating the characterization and the modelling of cellular architectures mechanical behaviour. Such architectures can be grasped both as materials and structures. Indeed, their effective behaviour is governed by various mechanisms observed at these different scales of which separability is often unverified. In the present works, focus has thus been put on the characterization of the respective contributions of these mechanisms implied in the effective mechanical behaviour of cellular architectures. Especially, the role of the constitutive material behaviour of the walls of the constitutive cells has been deeply investigated, not only at room temperature but also at higher ones. For that purpose, influence of the processing and the resulting microstructural evolutions have been discussed. The contribution of the geometry of the cells and the one resulting from the presence or not of some architectural defects have been analysed too. An important effort has concerned the mechanical behaviour of cellular architectures under compressive loads, especially when high compaction rates are reached. In that case, some local buckling phenomena of the walls of the cells are observed and new internal contacts are created. They result in structural non-linearities in addition to those coming from the constitutive material behaviour. The last issue investigated has concerned the characterization of homogeneous equivalent media for the modelling of the mechanical behaviour of cellular architectures, and their relevance for the modelling of large structures with cellular parts.The third part of this manuscript proposes various issues that could be critical in a near future. These issues concern not only the mechanical behaviour of cellular architectures, but also different other issues I work on at ONERA.Ce manuscrit a été rédigé dans le but d’obtenir mon Habilitation à Diriger des Recherches et se divise en trois parties distinctes. La première partie retrace mon parcours depuis ma thèse de Doctorat jusqu’à aujourd’hui. La deuxième partie est dédiée aux travaux que j’ai réalisés depuis mon embauche à l’ONERA.Ces travaux portent sur la caractérisation et la modélisation du comportement mécanique des architectures cellulaires, thématique sur laquelle j’ai principalement travaillé. Ces architectures se caractérisent par le fait qu’elles sont à mi-chemin entre le matériau et la structure et que les mécanismes qui régissent leur comportement proviennent de ces différentes échelles. Qui plus est, l’hypothèse de séparabilité de ces échelles est rarement vérifiée. Au cours de ces travaux, l’accent a donc été mis sur la compréhension des contributions respectives de ces différents mécanismes sur le comportement effectif de telles architectures cellulaires. Ainsi, le rôle du comportement du matériau constitutif des parois des cellules a été étudié à température ambiante, mais aussi à chaud, en lien avec les procédés d’élaboration et la microstructure. L’influence de la géométrie des cellules ou de la présence de défauts d’architecture ont aussi été investiguées. Un effort important a porté sur l’analyse du comportement en compression de ces architectures, en particulier aux forts taux d’écrasement pour lesquels sont observées de nombreuses sources de non-linéarité, en plus de celle issue du comportement du matériau constitutif. On peut citer l’apparition de contact intra-empilement et d’instabilités résultant de flambements locaux des parois des cellules. La dernière problématique abordée a concerné l’identification de milieux homogènes équivalents des architectures cellulaires et leur possible utilisation en calcul de structure.La dernière partie du manuscrit propose différentes perspectives de recherche en lien avec le comportement des architectures cellulaires, mais aussi concernant les autres thématiques sur lesquelles je travaille

Effets de taille et d'interphase sur le comportement mécanique de nanocomposites particulaires.

The aim of this work is the development of predictive tools to account for the effect of particle size on the mechanical behaviour of particulate nanocomposites. An introduction of specific information at the atomic scale, via Molecular Dynamics (MD) simulations, into homogenization models of the overall mechanical behaviour of heterogeneous materials (micromechanical approach) is proposed here. The interest of the method proposed in this work lies in the fact that it could be extended to the more general case of taking! into account characteristic length in heterogeneous materials. Studying virtual nanocomposites using MD simulations reveals the existence of an interphase of disturbed matrix surrounding the inclusions. The virtual systems are composed of silica inclusions embedded in a polymer matrix. The range of perturbation to the structure of the polymer chains is independent of the particle size and volume fraction of inclusions, but decreases with increasing temperature. By considering that the interphase surrounding the nanoparticles has a fixed thickness, a particle size effect has been introduced into micromechanical models of the effective mechanical properties of the nanocomposites. In the case of low volume fractions of inclusions, the use of just a 3-phase pattern is sufficient. The study of the mechanical behaviour of virtual nanocomposites, using non-equilibrium MD, reveals a reinforcement effect on the composite moduli and a particle size effect. Confrontation with 3+1-phase micromec! hanical models and the determination of the interphase elastic moduli by inverse techniques allows the stiffening effects observed by MD to be explained in the case of an interphase softer than the matrix.La motivation de ce travail est la mise au point d'outils permettant de prédire des effets de taille sur le comportement mécanique de nanocomposites particulaires. On se propose d'introduire des informations spécifiques du comportement à l'échelle atomique, par le biais de simulations de Dynamique Moléculaire (DM), dans des modèles d'homogénéisation du comportement mécanique global de matériaux hétérogènes (approche micromécanique). L'intérêt de la démarche proposée au cours de ces travaux réside dans le fait qu'elle peut s'étendre au cas plus général de la prise en compte de longueurs caractéristiques dans les matériaux hétérogènes. L'étude de nanocomposites virtuels par le biais de simulations de DM met en évidence l'existence d'une i! nterphase de matrice perturbée entourant les inclusions. Ces systèmes virtuels sont composés d'inclusions de silice noyées dans une matrice polymère. L'étendue de ces perturbations, observées sur l'architecture des chaînes de polymère, est indépendante de la taille des inclusions et du taux de renforts, mais décroît lorsque la température augmente. Via la considération de cette interphase d'épaisseur fixe entourant les nanoparticules, un intérêt particulier est porté sur l'introduction, dans les modèles micromécaniques, d'un effet de taille des inclusions sur les propriétés mécaniques effectives des nanocomposites. Pour les faibles fractions volumiques d'inclusions, la prise en compte d'un seul motif de type 3 phases se révèle pertinente. L'étude du comportement mécanique des nanocomposites virtuels, au tr! avers de la DM, met en évidence un phénomène de! renforc ement des modules effectifs et un effet de taille des particules. La confrontation avec les modèles micromécaniques et la détermination par méthode inverse des modules élastiques de l'interphase grâce au modèle "3+1-phases" permettent d'expliquer les phénomènes de renforcement observés en DM dans le cas d'une interphase plus souple que la matrice

Computational homogenisation of periodic cellular materials: Application to structural modelling

International audienceThe present paper aims at investigating the homogenisation of cellular materials in view of the modelling of large but finite cellular structures. Indeed, computation costs associated with the complete modelling of such structures can be rapidly prohibitive if industrial applications are considered. The use of a homogeneous equivalent medium (HEM) for these cellular materials can be an efficient approach to address this issue, but it requires the calibration of relevant homogeneous equivalent laws (HELs). Here, the considered cellular materials are tube stackings. Various uni-axial and multi-axial loading cases have been simulated, through the finite element method, on representative volume elements of such periodic stackings. From these simulations, anisotropic compressible elasto-plastic constitutive equations have been identified for the HEL. The anisotropy of the yield surfaces is discussed depending on the pattern of the tube stacking (e.g. square or hexagonal). A validation of the identified laws is proposed by simulating uni-axial compression and simple shear tests on sandwich structures made of tube stackings for their cores. A systematic comparison, between the results obtained from the fully meshed structures and those obtained from the structures whose core has been replaced with its HEM, allows us to address the limitations of the HEM-based approach and the boundary layer effects observed on finite structures

Confrontation between Molecular Dynamics and micromechanical approaches to investigate particle size effects on the mechanical behaviour of polymer nanocomposites

International audienceThis paper aims at developing a method to account for a particle size effect on the mechanical behaviour of particulate nanocomposites. An introduction of specific information at the atomic scale, through Molecular Dynamics (MD) simulations, into homogenisation models of the overall mechanical behaviour of heterogeneous materials (micromechanical approaches) is proposed here. By studying virtual nanocomposites, which consist of silica inclusions embedded in a polymer matrix, MD simulations have shown the existence of an interphase of disturbed matrix surrounding the inclusions, whose thickness depends neither on the inclusion size nor on the volume fraction of inclusions. By considering this interphase of fixed thickness, a particle size effect is then deduced from a dilute micromechanical model which derives from the classical Eshelby's inhomogeneity problem. Effective elastic moduli of the composite strongly vary with the particle size for a fixed volume fraction of particles. Nevertheless, opposite trends are observed relative to the interphase behaviour. Whereas effective moduli increase with the particle size for an interphase softer than the matrix, they decrease in the reverse case. The confrontation between MD and micromechanical approaches and the characterisation of the interphase elastic moduli by an inverse method allow the stiffening effects observed by MD to be explained in the case of an interphase softer than the pure matrix