Développement d'éléments finis ferroélectriques et ferroélastiques de type solide et coque curvilignes

Piezoceramics like lead zirconate titanate or PZT can produce an electric potential when they are subjected to a mechanical stress and deform in the presence of an electric field. This electromechanical coupling can be described by linear constitutive equations for moderate loadings. Nevertheless, this coupling becomes highly non linear when piezoceramics are subjected to high electromechanical loadings due to the electric polarization switching. In this thesis work, a phenomenological material constitutive model that describe the electric polarization ferroelectric switching (by an electric field) and ferroelastic switching (by a mechanical stress) is proposed. To describe the loading history, two internal variables are considered and two electric and mechanical loading surfaces are defined to indicate the onset of domain switchings. A bi-dimensional version of this model is developed to study thin piezoelectric structures. The phenomenological model 2D and 3D versions are implicitly integrated by adopting the return-mapping algorithm. Two shell and hexahedral first-order finite elements are then formulated and implemented into the commercial finite element code Abaqus via the user subroutine UEL (User ELement).Les céramiques piézoélectriques, comme le Titatano-Zirconate de Plomb (PZT), peuvent produire une tension électrique quand elles sont soumises à une contrainte mécanique et, inversement, se déforment sous l'effet d'un champ électrique. Ce couplage électromécanique peut être décrit par des équations de comportement linéaires pour des chargements modérés. Cependant, au-delà de certaines valeurs de champ électrique ou de contrainte mécanique, ce couplage devient fortement non linéaire à cause des phénomènes de réorientation de la polarisation électrique. Dans ce travail de thèse, un modèle phénoménologique, qui tient compte des réorientations ferroélectrique (par un champ électrique) et ferroélastique (par une contrainte mécanique) de la polarisation électrique, est proposé. Deux variables internes sont considérées pour décrire l'histoire du chargement et deux surfaces de charges électrique et mécanique sont définies pour déterminer les débuts des écoulements ferroélectrique et ferroélastique. Une version bi-dimensionnelle de ce modèle est développée également pour faire l'étude des structures piézoélectriques minces. Les deux versions 2D et 3D du modèle phénoménologique sont intégrées implicitement en adoptant la méthode de retour radial (prédiction/correction). Deux éléments finis coque et hexaédrique de premier ordre, qui intègrent ce modèle phénoménologique non linéaire, sont ensuite développés et implémentés dans le code de calcul par éléments finis Abaqus via la routine utilisateur UEL (User ELement)

Shell and hexahedral curvilinear finite elements for the analysis of piezoceramics ferroelectric and ferroelastic behaviors

Les céramiques piézoélectriques, comme le Titatano-Zirconate de Plomb (PZT), peuvent produire une tension électrique quand elles sont soumises à une contrainte mécanique et, inversement, se déforment sous l'effet d'un champ électrique. Ce couplage électromécanique peut être décrit par des équations de comportement linéaires pour des chargements modérés. Cependant, au-delà de certaines valeurs de champ électrique ou de contrainte mécanique, ce couplage devient fortement non linéaire à cause des phénomènes de réorientation de la polarisation électrique. Dans ce travail de thèse, un modèle phénoménologique, qui tient compte des réorientations ferroélectrique (par un champ électrique) et ferroélastique (par une contrainte mécanique) de la polarisation électrique, est proposé. Deux variables internes sont considérées pour décrire l'histoire du chargement et deux surfaces de charges électrique et mécanique sont définies pour déterminer les débuts des écoulements ferroélectrique et ferroélastique. Une version bi-dimensionnelle de ce modèle est développée également pour faire l'étude des structures piézoélectriques minces. Les deux versions 2D et 3D du modèle phénoménologique sont intégrées implicitement en adoptant la méthode de retour radial (prédiction/correction). Deux éléments finis coque et hexaédrique de premier ordre, qui intègrent ce modèle phénoménologique non linéaire, sont ensuite développés et implémentés dans le code de calcul par éléments finis Abaqus via la routine utilisateur UEL (User ELement)Piezoceramics like lead zirconate titanate or PZT can produce an electric potential when they are subjected to a mechanical stress and deform in the presence of an electric field. This electromechanical coupling can be described by linear constitutive equations for moderate loadings. Nevertheless, this coupling becomes highly non linear when piezoceramics are subjected to high electromechanical loadings due to the electric polarization switching. In this thesis work, a phenomenological material constitutive model that describe the electric polarization ferroelectric switching (by an electric field) and ferroelastic switching (by a mechanical stress) is proposed. To describe the loading history, two internal variables are considered and two electric and mechanical loading surfaces are defined to indicate the onset of domain switchings. A bi-dimensional version of this model is developed to study thin piezoelectric structures. The phenomenological model 2D and 3D versions are implicitly integrated by adopting the return-mapping algorithm. Two shell and hexahedral first-order finite elements are then formulated and implemented into the commercial finite element code Abaqus via the user subroutine UEL (User ELement

Quadrilateral membrane finite elements with rotational DOFs for the analysis of geometrically linear and nonlinear plane problems

International audienceIn this paper, we present the formulations of two four-node quadrilateral membrane finite elements with rotational degrees of freedom to analyze geometric linear and nonlinear plane problems. They are based on a plane adaptation of the space fiber rotation concept that considers virtual rotations of a nodal fiber within the element enhancing the displacement vector approximation of low-order elements. An updated Lagrangian approach is chosen to describe large displacement with small strain kinematics. Several geometric linear and nonlinear benchmarks are presented to assess the performance of the proposed membrane elements and the obtained results demonstrate their efficiency

A FSDT-MITC Piezoelectric Shell Finite Element with Ferroelectric Non-linearity

International audienceA shell finite element based on the Reissner/Mindlin first-order shear deformation theory and integrating a bi-dimensional phenomenological ferroelectric constitutive law for domain switching effects is proposed. An electric switching function is considered to indicate the onset of domain switching. Only one internal variable (the remanent polarization) is used in the model. An implicit integration technique based on the return-mapping algorithm is adopted. The shell element is implemented into the commercial finite element code Abaqus ® via the subroutine user element. Some linear (piezoelectric) and non-linear (ferroelectric) tests are considered to validate first, the element formulation and second, the implementation of the bi-dimensional ferroelectric model. It is shown by studying a complex example (the spiral actuator) that the Reissner/Mindlin kinematic hypothesis (no variation of the displacement across the thickness or no thickness variation) is not sufficient for some electromechanical applications for which the d33 effect is of major importance

Développement d'éléments finis ferroélectriques et ferroélastiques de type solide et coque curvilignes

Les céramiques piézoélectriques, comme le Titatano-Zirconate de Plomb (PZT), peuvent produire une tension électrique quand elles sont soumises à une contrainte mécanique et, inversement, se déforment sous l'effet d'un champ électrique. Ce couplage électromécanique peut être décrit par des équations de comportement linéaires pour des chargements modérés. Cependant, au-delà de certaines valeurs de champ électrique ou de contrainte mécanique, ce couplage devient fortement non linéaire à cause des phénomènes de réorientation de la polarisation électrique. Dans ce travail de thèse, un modèle phénoménologique, qui tient compte des réorientations ferroélectrique (par un champ électrique) et ferroélastique (par une contrainte mécanique) de la polarisation électrique, est proposé. Deux variables internes sont considérées pour décrire l'histoire du chargement et deux surfaces de charges électrique et mécanique sont définies pour déterminer les débuts des écoulements ferroélectrique et ferroélastique. Une version bi-dimensionnelle de ce modèle est développée également pour faire l'étude des structures piézoélectriques minces. Les deux versions 2D et 3D du modèle phénoménologique sont intégrées implicitement en adoptant la méthode de retour radial (prédiction/correction). Deux éléments finis coque et hexaédrique de premier ordre, qui intègrent ce modèle phénoménologique non linéaire, sont ensuite développés et implémentés dans le code de calcul par éléments finis Abaqus via la routine utilisateur UEL (User ELement)Piezoceramics like lead zirconate titanate or PZT can produce an electric potential when they are subjected to a mechanical stress and deform in the presence of an electric field. This electromechanical coupling can be described by linear constitutive equations for moderate loadings. Nevertheless, this coupling becomes highly non linear when piezoceramics are subjected to high electromechanical loadings due to the electric polarization switching. In this thesis work, a phenomenological material constitutive model that describe the electric polarization ferroelectric switching (by an electric field) and ferroelastic switching (by a mechanical stress) is proposed. To describe the loading history, two internal variables are considered and two electric and mechanical loading surfaces are defined to indicate the onset of domain switchings. A bi-dimensional version of this model is developed to study thin piezoelectric structures. The phenomenological model 2D and 3D versions are implicitly integrated by adopting the return-mapping algorithm. Two shell and hexahedral first-order finite elements are then formulated and implemented into the commercial finite element code Abaqus via the user subroutine UEL (User ELement)NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Damping analysis of nonwoven natural fibre-reinforced polypropylene composites used in automotive interior parts

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Mechanical characterization and damage events of flax fabric-reinforced biopolymer composites

International audienceNatural fibre-reinforced biopolymer composites are of special interest because they are entirely bioresourced, recyclable and biodegradable. Poly(lactic acid) (PLA), poly(hydroxybutyrate- co-hydroxyvalerate) (PHBV) and poly(butylene succinate) (PBS) are among the most known environment-friendly biodegradable thermoplastics. Unfortunately, they present unbalanced mechanical characteristics when they are taken separately. The aim of this work is to overcome this problem using a blending process accompanied with fibre reinforcement. For this purpose, entirely biodegradable composite materials were fabricated and characterized. These biocomposites are based on two different ternary PLA/PHBV/PBS blends reinforced with twill flax fabrics and fabricated using extrusion and film-stacking techniques. Monotonic and cyclic load–unload tensile tests followed by acoustic emission and scanning electron microscopy observations were performed. In particular, the obtained biocomposites present interesting mechanical properties with a tensile modulus of 20 GPa and an ultimate tensile strength of 110 MPa

Numerical modelling of 2D composite solids accounting for local fibre bending stiffness

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Damage investigation of cross-ply flax/epoxy composite under impact fatigue

International audienceThis paper aims at studying the damage evolution of a [0/90] 3S cross-ply flax/epoxy laminate repeatedly impacted at three energy levels of 5, 6 and 7 J. Several specimen plates were prepared by the vacuum infusion technique and then subjected to repeated low-velocity impacts. To assess external damage mechanisms in the impacted plates, an inspection of the back and front faces damage was conducted by using a high-resolution digital reflex camera. Moreover, different techniques were used to evaluate the internal damage such as intensive light exposure, infrared thermal imaging, and computed X-ray tomography. The obtained results show that damage is visible even at low energy level and starts to appear from the first impacts, especially in the back face of the flax/epoxy samples. In addition, after front and back faces cracks appear, delamination is the most predominant damage mechanism that occurs during the different phases of impact fatigue loading. Its size is found to extend with the energy level and the multiplication of impacts