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Comportement des matériaux poreux sous chargement dynamique : prise en compte des effets micro-inertiels et de l’hétérogénéité de microstructure

ABG-90290 Thesis topic
2020-02-14 < €25,000 annual gross
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LEM3 – Laboratoire d’étude des microstructures et de mécanique des matériaux, UMR CNRS 7239, Metz
METZ - Grand Est - France
Comportement des matériaux poreux sous chargement dynamique : prise en compte des effets micro-inertiels et de l’hétérogénéité de microstructure
  • Engineering sciences
  • Materials science
Endommagement dynamique – Matériau ductile poreux – Micro-inertie – Approches statistiques – Modélisation analytique et simulation numérique

Topic description

Description de la problématique de recherche

 

La réponse des matériaux ductiles poreux sous chargement dynamique couvre un champ d’applications très large, allant du domaine militaire ou aérospatial (e.g. réponse sous choc de matériaux de blindage, de structures aérospatiales, Valerio Flores et al., 2004), au domaine des applications médicales (e.g. lithotripsie extracorporelle par onde de choc pour le traitement de calculs rénaux, Weinberg et Ortiz, 2009).
Sous chargement dynamique, les accélérations locales, particulièrement importantes en paroi des vides, influencent fortement la réponse du matériau à l’échelle macroscopique. Ces effets, appelés effets de micro-inertie, ont été pris en compte au travers de travaux de l’équipe fondés sur des méthodes d’homogénéisation dynamique (Molinari & Mercier 2001, Czarnota et al., 2006, 2008, 2017, Sartori et al., 2015, 2016), permettant d’introduire naturellement un paramètre lié à la microstructure : la taille des vides.


Les porosités présentes initialement dans les matériaux peuvent révéler des hétérogénéités en taille et en forme (induite par exemple lors du procédé de mise en forme). L’étude de l’influence des effets de micro-inertie sur des matériaux poreux contenant des vides sphériques de tailles différentes a révélé que les paramètres statistiques caractérisant la distribution initiale de cavités ne sont plus représentatifs de la distribution de l’endommagement observée après rupture : les effets d’inertie conduisant à homogénéiser la taille des vides, Czarnota et al. (2006). La prise en compte des effets de micro-inertie dans les modèles développés et implantés dans un code de simulation numérique (Abaqus) a permis par ailleurs la restitution fidèle de données expérimentales (tailles de vides, mesures de vitesse) obtenus lors d’essais d’impact de plaque sur un tantale de très haute pureté (Czarnota et al., 2008, Jacques et al., 2010).


L’hypothèse de forme sphérique des cavités (valide pour des chargements fortement dominés par la contrainte hydrostatique, tels que pour l’essai d’impact de plaques) a été étendue au cas de vides de forme non sphérique (cavités aplaties, en forme d’aiguille, …). Cette étude récente a été développée dans le but de considérer des chargements plus complexes, mais aussi afin de pouvoir décrire le comportement dynamique de matériaux poreux contenant initialement des vides non sphériques. La forme des surfaces de charge dynamiques alors obtenues et validées par simulation numérique, ont révélé des particularités qu’une approche statique (où les effets de micro-inertie sont négligés) ne peut pas reproduire, Sartori et al. (2015, 2016). Cependant, dans ces travaux, les vides sont supposés uniformes et uniformément répartis dans la matrice et l’approche ne permet pas de décrire l’effet d’une distribution hétérogène de porosités.


Ainsi, le développement d’un modèle analytique et de modèles numériques associés permettant de décrire le comportement des matériaux poreux hétérogènes (distribution en taille et forme des vides) sous chargement dynamique est tout à fait original. C’est précisément cet axe de recherche qui est proposé dans la thèse.
Associons à cela le procédé de mise en forme par fabrication additive, permettant d’obtenir des microstructures (taille de vides et porosité) contrôlées, qui laisse entrevoir des stratégies d’optimisation tout à fait intéressantes, où allégement et robustesse peuvent être combinés pour des applications dynamiques.

 

Objectifs

 

L’objectif de ce sujet de thèse est de proposer un modèle analytique décrivant le comportement dynamique de matériaux poreux contenant une population hétérogène (variation en taille et en forme) de cavités. La construction de VER numériques, envisagés dans le cadre de la thèse, permettra de confronter le modèle analytique développé aux résultats obtenus par des simulations numériques.

Le candidat sera conduit à aborder les étapes suivantes qui mêlent modélisation analytique et simulations numériques :


1. Analyse critique des travaux de la littérature traitant des effets de micro-inertie pour des vides sphériques et sphéroïdaux, de l’effet induit par la présence d’hétérogénéités en taille et forme des vides, et de stratégies et outils développés pour la construction de VER numériques ;


2. Développement d’un modèle analytique couplant effets de micro-inertie, vides sphéroïdaux et approches statistiques pour révéler l’influence des paramètres de chargement et de microstructures (taille et forme des vides) pour des chargements axisymétriques ;


3. Construction de VER numériques pour des cas de simulations en dynamique rapide sous Abaqus/Explicit. Ils serviront à valider l’approche analytique.

 

Références bibliographiques

C. Czarnota, S. Mercier, A. Molinari, Int. J. Fract., 2006.
C. Czarnota, N. Jaques, S. Mercier, A. Molinari, J. Mech. Phys. Solids, 2008.
C. Czarnota, A. Molinari, S. Mercier, J. Mech. Phys. Solids, 2017.
N. Jacques, C. Czarnota, S. Mercier, A. Molinari, Int. J. Fract., 2010.
A. Molinari, S. Mercier, J. Mech. Phys. Solids, 2001.
C. Sartori, S. Mercier, N. Jacques, A. Molinari, Mech. Mater., 2015.
C. Sartori, S. Mercier, N. Jacques, A. Molinari, Int. J. Solids. Struct., 2016.
O. L. Valerio-Flores, L. E. Murr, V. S. Hernandez and S. A. Quinones, J. Mater. Sci. 2004.
K. Weinberg, M. Ortiz, Biomech Model Mechanobiol (2009).

Starting date

2020-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Presentation of host institution and host laboratory

LEM3 – Laboratoire d’étude des microstructures et de mécanique des matériaux, UMR CNRS 7239, Metz

Le LEM3 est une Unité Mixte de Recherche n° 7239 CNRS - Université de Lorraine - Arts et Métiers ParisTech, rattachée principalement à l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) du CNRS. Les domaines d'activité du LEM3 concernent les Matériaux, laMécanique, l'étude desMicrostructures et des Procédés.Le LEM3 se situe au niveau des meilleures équipes internationales sur de nombreux sujets, notamment : instabilités plastiques et thermoplastiques, transformations de phase, caractérisation et évolution de microstructure et texture sous traitements thermomécaniques, matériaux intelligents, modélisation multi-échelle, auto-organisation de défauts cristallins, intégrité des surfaces obtenues par des procédés mécaniques, comportement dynamique des matériaux, ingénierie pour la santé, usinage à grande vitesse, flambement et vibrations des structures, dynamique du comportement des matériaux, modélisation micromécanique, méthodes numériques.

Suite à l’intégration de l’unité LaBPS (EA 4632) et du groupe de recherche « Mécanique des Matériaux et Structures » du LEMTA (7563), le LEM3 est devenu une unité d’environ 250 personnes dont 150 personnels permanents (100 EC, 7 Chercheurs, 40 personnels administratifs et techniques (dont 20 ingénieurs), 100 doctorants et post-doctorants... et sa nouvelle structuration scientifique se décline en trois départements :

Département 1 : Mécanique des Matériaux, des Structures et du Vivant (MMSV),

Département 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT),

Département 3 : Thermomécanique des PRocédés et des Interactions Outil-Matière (T-PRIOM).

Au cours de ces dernières années, le LEM3 a contribué aux différentes structurations du paysage de la formation et de la recherche en Lorraine (Université de Lorraine, Université de la Grande Région (UniGR), l’IRT M2P (Matériaux-Métallurgie-Procédés), CEA-Tech, la Vallée Européenne des Matériaux, de l’Energie et des Procédés (VEMEP),plateforme MetaFensch, Initiatives - Science - Innovation – Territoires – Economie (ISITE), CPER 2015-2020,…).Son fort ancrage régional s'étend à la Grande Région grâce à de multiples interactions en matière de formation, de recherche et de relations industrielles avec l’Allemagne, le Luxembourg et la Belgique.

Le LEM3 est également membre du Pôle scientifique M4 (Matière, Matériaux, Métallurgie, Mécanique) de l’UL, participe activement au LabEx DAMAS, à des nombreux projets industriels, régionaux (d’innovation avec de grandes entreprises, des PME et Startup...), nationaux et internationaux de qualité (Projets européens, programmes de formation...). Ses compétences reconnues par l’HCERES et complémentairesauxautres entités de recherche de l’UL s’intègrent tout à fait dans les nouveaux projets structurants de la région Grand Est (Alliance Matériaux Grand Est, Projets de resourcement...). Son déménagement sur le site du Technopôle, à proximité des écoles d’ingénieurs et des UFR scientifiques messines favorisera la mutualisation de plateformes techniques et permettra de renforcer les collaborations entre les différents acteurs de la recherche et d’amplifier notre participation à des projets au niveau local, national et international.

PhD title

Doctorat en mécanique des matériaux

Country where you obtained your PhD

France

Institution awarding doctoral degree

Université de Lorraine

Graduate school

CM2P – Chimie, Mécanique, Matériaux, Physique

Candidate's profile

Le (la) candidat(e), de formation Master2/école d’ingénieur dans le domaine de la mécanique et/ou des matériaux devra avoir de solides connaissances en mécaniques des milieux continus et simulation numérique (code de calcul par éléments finis). Une bonne maîtrise de l'anglais est indispensable.

Application deadline

2020-03-27
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