Homogenization of helical beam-like structures: application to single-walled carbon nanotubes

International audienceThis work is devoted to the computation of axial stiffness of helical beam-like structures. Starting from the homogenization theory of periodic slender domains and taking benefit of the property of helical symmetry, the overall elastic behavior can be obtained from the solution of three-dimensional problems posed on a reduced basic cell. The mechanical analysis of this reduced basic cell performed using a concise FE model allows therefore to compute easily the anisotropic beam homogenized stiffness coefficients. The accuracy and usefulness of this approach is demonstrated by comparisons with reference solutions and large FE model results for two numerical volume structure examples: a wire spring and a stranded “6 + 1” rope. The homogenization procedure is then applied to single-walled carbon nanotubes and it is shown from the two helical symmetries that their basic cell can be reduced to three beam elements

Identification des paramètres de modèles viscoplastique-viscohyperélastique : Application à un polymère semi-cristallin sur une large gamme de cristallinités

Ce travail est dédié aux stratégies d’identification des paramètres de modèles viscoplastique-viscohyperélastique appliqués aux polymères. Une méthode numérique d’identification, basée sur une procédure d’optimisation évolutionnaire, est présentée. L’application est faite sur un polyéthylène, contenant différents taux de cristallinités, sollicité en grandes déformations à différentes vitesses de déformation vraies. Dans une première approche, les paramètres d’un modèle viscoplastique-viscohyperélastique, permettant de reproduire la réponse mécanique du polymère semi-cristallin, sont identifiés en supposant le matériau homogène. En considérant le polymère semi-cristallin comme un milieu hétérogène, les résultats de l’identification des paramètres d’un modèle viscoplastique-viscohyperélastique, basé sur une représentation à deux phases de la microstructure, sont présentés et analysés en terme de variations

Homogenization of single-walled carbon nanotubes

This work deals with the computation of the overall axial elastic behavior of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The SWCNTs are modeled as space-frame structures, using beam elements to represent atomic bonds [1].The application of homogenization theory [2] enables to derive rigorously the macroscopic anisotropic beam behavior of the SWCNT, from the solution of three-dimensional basic cell problems. Moreover, taking benefit of the two helical symmetries [3] of the microstructure, the basic cell can be reduced to only one half of an hexagon, as depicted in Fig.1 for a zigzag SWCNT. Therefore, the overall stiffness coefficients can be computed efficiently using very concise FE models (including only 3 beam elements): the helical symmetry properties of the displacement field lead to a set of linear relationships expressed in local cylindrical axes between the opposite nodes m and n (see Fig.1) then acting as boundary conditions [3].The accuracy of this approach has been assessed with respect to reference solutions of the literature [1] and also from comparison with results given by large FE model (left part of Fig.1). This method has been applied for the computation of zigzag and armchair SWCNTs: as shown in Fig.2, the developed procedure allows to study the scale effects

Optimisation d'enceintes sous-marines composites

Cette étude, réalisée en partenariat avec l'ifremer, s'inscrit dans le cadre de projets européens visant au développement d'enceintes d'exploration océanographique et de véhicules autonomes évoluant en grandes profondeurs. Le type de structure utilisé est constitué d'un cylindre composite, réalisé par enroulement filamentaire, mince ou semi-épais et obturé par des tapes. Ces tubes élancés possèdent une stratification classique de type 55\ n, choix n'intégrant pas le risque de flambage pourtant mis en évidence expérimentalement et numériquement lors des travaux antérieurs. Aussi, cette étude porte sur l'optimisation des séquences de stratification des cylindres afin d'en accroître la limite de stabilité. Des modèles analytiques du flambage de coques cylindriques stratifiées, avec prise en compte d'imperfections géométriques, ont été développés. Ces modèles ont été couplés à une procédure d'optimisation par algorithme génétique permettant la recherche de stratifications optimisées. Les résultats obtenus ont mis en évidence une allure caractéristique de type 90 n 1/ 1/30 n 2/ 2/90 n 3, 1 et 2 dénotant des zones de transitions. Les accroissements de pressions critiques correspondants, calculés par modèles éléments finis, s'avèrent substantiels vis-à-vis des cylindres en 55 n. De plus, ce type de résultat d'optimisation s'est avéré peu sensible aux incertitudes sur les valeurs de caractéristiques mécaniques, aux tolérances de fabrication ainsi qu'aux imperfections géométriques des cylindres. L'étude expérimentale du flambage de tubes en verre/époxy, réalisée à l'aide d'un système d'essais spécifique, a confirmé les gains procurés par les séquences de stratification optimisées.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Optimized laminations for submarine composite hulls

International audienceThis work deals with the development of a numerical tool for the design of filament wound submersible composite cylinders. A genetic algorithm coupled with analytical shell models allows stacking sequences to be optimized in order to increase the buckling pressures. The examples presented concern IFREMER's current studies and characteristic lamination patterns have been obtained. FEM calculations confirm the gains corresponding to the solutions obtained. The robustness of the optimized laminations is attentively studied. The performances of the optimization procedure are also discussed.Ce travail concerne l'élaboration d'un outil numérique d'aide à Ia conception d 'enceintes sous-marines cylindriques composites réalisées par enroulement filamentaire. Un algorithme génétique couplé à des modèles analytiques des coques permet d'en optimiser Ia stratification afin d'accroître Ia limite de flambage. Les applications présentées sont liées aux travaux actuels de l'IFREMER. Les calculs d'optimisation ont conduit à l'obtention d'un type de stratification caractéristique. Les calculs MEF confirment l'intérêt des solutions optimisées. Une attention particulière est accordée à l'étude de Ia robustesse de ces solutions. De plus, les performances de Ia procédure d'optimisation sont analysées

Optimal design of stiffened composite underwater hulls

International audienceThis numerical study deals with the stiffened composite underwater vessel design. The structures under investigation are laminated cylinders with rigid end-closures and inter-nal circumferential and longitudinal unidirectional composite stiffeners. Structural buckling induced by the high external hydrostatic pressure is considered as the major failure risk. An optimization design tool has been developed to obtain the reinforcement definition which maximizes the limit of stability: an analytical model of cylindrical composite shell buckling has been coupled to a genetic algorithm procedure. The numerical optimization tests carried out corroborate design tendencies validated previously by experiments

A microstructure-based model for a full lamellar-interlamellar displacement and shear strain mapping inside human intervertebral disc core

International audienc

Optimal laminations of thin underwater composite cylindrical vessels

This paper deals with the optimal design of deep submarine exploration housings and autonomous underwater vehicles. The structures under investigation are thin-walled laminated composite unstiffened vessels. Structural buckling failure due to the high external hydrostatic pressure is the dominant risk factor at exploitation conditions. The search of fiber orientations of the composite cylinders that maximize the stability limits is investigated. A genetic algorithm procedure coupled with an analytical model of shell buckling has been developed to determine numerically optimized stacking sequences. Characteristic lamination patterns have been obtained. FEM analyses have confirmed the corresponding significant increases of buckling pressures with respect to initial design solutions. Experiments on thin glass/epoxy and carbon/epoxy cylinders have been performed. The measured buckling pressures appear to be in good agreement with numerical results and demonstrate the gains due to the optimized laminations