Étude du comportement de matériaux cellulaires sous sollicitations multiaxiales dynamiques Application au matériaux architecturés de type IPC

Projet :

Cette proposition de thèse s’inscrit dans un projet de recherche structurant qui regroupe 5 laboratoires universitaires (I2M, IRDL, LAMIH, PIMM, ESTIA R) sur la thématique des matériaux architecturés soumis à l’impact. Cette proposition de thèse est co-financée par l’Université Bretagne Sud et le CEA.

Contexte :

Dans le cadre de la sécurité des biens et des personnes nécessitant un haut de niveau de sécurité (infrastructures maritimes et portuaires, transport de matériels sensibles et nucléaires, véhicules blindés…), les structures de protection (civiles ou militaires) sont soumises à des sollicitations mécaniques sévères : des chocs basse ou haute énergie (dans le cas de navires heurtant les infrastructures), des chutes de plusieurs mètres en condition accidentelle (dans le cas de transport de matériels) jusqu’à des effets de souffle ou de tirs balistiques sur des bâtiments. Ces structures utilisent des matériaux absorbants tels que des matériaux cellulaires, des nids d’abeille, du bois, des élastomères (caoutchouc)… Depuis quelques années les matériaux architecturés polymériques ou métalliques sont des candidats à fort potentiel pour ce type d’application. Le squelette de la structure architecturée est conçu en fonction des sollicitations envisagées pour l’application visée ; il est ensuite fabriqué par des différents procédés de fabrication additive, voire de fonderie.

Les structures architecturées sollicitées en compression démontrent généralement un comportement non-linéaire leur permettant d’absorber une quantité importante d’énergie mécanique tout en limitant l’effort transmis à l’élément à protéger. Toutefois, cela se traduit généralement par une localisation précoce des déformations, soit sous la forme de bandes de cisaillement à 45° ou par de multiples bandes de localisation perpendiculaires au chargement, entrainant une perte de propriétés mécaniques même dans le cas de faibles chargements.

Pour retarder ces effets de localisation, l’ajout d’une matrice solide est envisagé. Ces nouveaux matériaux composés d'un squelette métallique architecturé dans lequel un matériau polymère est injecté ont récemment été étudiés sous chargements quasi-statiques démontrant un gain important en termes d’énergie spécifique absorbée (J/g) [1,2].  Il a été démontré que leurs caractéristiques mécaniques sont prometteuses sous des sollicitations quasi-statiques. Les études actuelles n’évoquent pas leur efficacité en régime dynamique qu’il conviendrait d’étudier.

Les sollicitations (impacts, blast) subis par ces matériaux structurés dans leur usage applicatif sont néanmoins souvent complexes. La compression uniaxiale de ces matériaux ne représente qu’un cas de chargement parmi tant d’autres, la proportion de cisaillement n’est jamais négligeable. Il est ainsi nécessaire de caractériser leur comportement et l’efficacité de ces matériaux sous des sollicitations multiaxiales.

Enfin, afin d’offrir un outil de conception, de dimensionnement puis d’optimisation de ce type de matériaux structurés, des simulations numériques par éléments finis basées sur des modèles phénoménologiques doivent être nécessairement investiguées.

[1] Li et al., Metallic microlattice and epoxy interpenetrating phase composites: Experimental and simulation studies on superior mechanical properties and their mechanisms, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2020. DOI : 10.1016/j.compositesa.2020.105934

[2] Xue et al., Enhanced compressive mechanical properties of aluminum based auxetic lattice structures filled with polymers, Composites Part B: Engineering, 2019. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.05.002

Objectifs de la thèse :

La thèse doit permettre d'apporter des connaissances sur le comportement mécanique d’un matériau cellulaire de remplissage de matériaux bi-constituants sous des environnements dynamiques. Les connaissances ainsi acquises mèneront à une compréhension de l’influence du couple structure architecturée métallique/matériau de remplissage sur les capacités d'absorption de choc. Cela passera par la compréhension des mécanismes de dissipation d'énergie du matériau cellulaire de remplissage qui seront observés expérimentalement puis modélisés numériquement. En effet, lors d'un impact, le matériau métallique se déforme de manière élastique puis plastique, refermant les porosités à l'échelle macroscopique du squelette de la structure. Le matériau de remplissage est quant à lui comprimé de manière multiaxiale, cisaillé entre les porosités macroscopiques du squelette. Actuellement, les matériaux de remplissage sont des polymères ou élastomères peu compressibles, il est envisagé d’inclure des porosités dans le polymère (par moussage ou par injection d’un agglomérat de billes creuses pour que le matériau de remplissage devienne compressible. Il est considéré que le taux de compressibilité permettrait de piloter la déformation locale du squelette de la structure architecturé. L’étude du comportement du matériau de remplissage sous sollicitations multiaxiales dynamiques devra donc prendre en compte ce taux de compressibilité

Pour arriver à ces objectifs, plusieurs verrous scientifiques ont été identifiés à ce jour :

-           Quel matériau de remplissage serait le plus adapté dans une optique d’amortissement en sollicitation dynamique ?

-           Pour un matériau polymère de remplissage défini, quels sont les modèles de comportement existants pour représenter la réponse du polymère sous sollicitation dynamique (en compression uniaxiale, sous sollicitations multiaxiales) en fonction de sa densité pour modéliser ce comportement en fonction du taux de compressibilité. Le modèle de Deshpende et Fleck pourra être considéré.

-           Quelles sont les expériences à développer pour identifier le ou les modèle(s) de comportement envisagé ? il est envisagé de réaliser des essais de sollicitations multiaxiales avec une cellule hydrostatique, une machine de traction-torsion, un hexapode…

-           Le modèle étant identifié expérimentalement, est-il capable de reproduire le comportement du matériau de remplissage intégré au squelette du matériau architecturé lors d’une sollicitation dynamique.

Encadrement :

- Prof. Laurent Maheo, Université Bretagne Sud et Académie Militaire de Saint-Cyr Coëtquidan

Institut de Recherche Dupuy de Lome (IRDL), CNRS UMR 6027, Lorient (56), France.

- Prof. Philippe Viot, École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers, campus de Bordeaux

Institut de mécanique et d’ingénierie (I2M), CNRS UMR 5295, Talence (33), France.

Profil recherché : Nous recherchons un ingénieur ou un titulaire d’un master 2 (H/F) dans le domaine de la mécanique des matériaux en dynamique rapide. Il ou elle aura un gout prononcé pour l’expérimentation et le calcul numérique, et des connaissances dans la programmation Python et la simulation par éléments finis. Des compétences en matériaux architecturés, en dynamique et impacts seraient appréciées. Le/la candidate devra obtenir l’autorisation préalable de travailler en Zone à Régime Restrictif (ZRR).