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Conception générative et optimisation paramétrique/topologique de structures cellulaires bio-inspirées par fabrication additive

ABG-77721 Sujet de Thèse
07/05/2018 > 25 et < 35 K€ brut annuel
Université de Technologie de Belfort-Montbéliard
Sevenans - Bourgogne-Franche-Comté - France
Conception générative et optimisation paramétrique/topologique de structures cellulaires bio-inspirées par fabrication additive
  • Sciences de l’ingénieur
fabrication additive bioinspirée, conception de structures, modélisation numérique, optimisation

Description

La fabrication additive désigne l’ensemble des procédés permettant la fabrication des pièces par déposition séquentielle de matière. Ce procédé permet donc des gains importants en temps et en matériau de base par la suppression des étapes de mise en forme lors de la fabrication, tout en offrant plus de liberté aux concepteurs de concevoir des modèles complexes. Cette nouvelle technologie requiert une connaissance et des compétences non seulement en logiciel de CAO, permettant de créer ces géométries, mais aussi en science des matériaux et en simulation numérique afin de garantir la qualité requise des pièces. Étant un procédé relativement jeune, il est certain que le manque de visibilité de la fabrication additive parmi l’ensemble des procédés de fabrication explique, en partie, son utilisation encore relativement faible.

L’existence d’un certain nombre de verrous scientifiques et techniques, associés à ces procédés, en est, cependant, la principale explication. Seule la levée de ces verrous permettra, réellement, une exploitation généralisée de la fabrication additive.

La technologie SLM (Selective Laser Melting) permet la production couche par couche de pièces métalliques complexes sur la base d'un modèle tridimensionnel, ce qui réduit la contrainte de fabrication et lève les limitations liées à la complexité de la conception. Cette technologie permet la fabrication de structures en treillis complexes, dont les caractéristiques peuvent couvrir plusieurs applications. Ces structures consistent en un grand nombre de poutres disposées en motif spatiale pour former une cellule unitaire appelé Lattice. L'arrangement optimal de ces cellules a fait l'objet de nombreuses recherches. Les travaux préliminaires dans le domaine de l'optimisation structurelle sont connus sous le nom de structures de Michell. Cependant, cette approche n'est pas pratique car elle nécessite une infinité de barres.

Le triplet conception-optimisation-simulation est le sujet de nombreux travaux de recherche pour améliorer les caractéristiques structurelles des pièces. L'optimisation de la topologie peut donc permettre une plus grande liberté de conception en comparaison à l'optimisation paramétrique. Différentes approches d'optimisation topologique ont été développées ces dernières années dont la majorité souffrent d’un temps de calcul important.

Par ailleurs, l'optimisation topologique est souvent limitée à une seule propriété d'éléments mécaniques en utilisant la technique d'homogénéisation. D'autres travaux ont utilisé des techniques de calcul parallèle pour résoudre un modèle à deux échelles, à savoir un problème micro pour caractériser la microstructure matérielle en utilisant l'analyse par éléments finis et un modèle macro utilisant les résultats d'homogénéisation pour l'optimisation topologique. L'optimisation paramétrique peut également être utilisée pour contrôler de manière paramétrique la géométrie et les diamètres des treillis, en se fondant sur des modèles bio-inspirés, afin de résister à des cas de chargement définis. Toutefois, l'analyse par éléments finis solides prend du temps. De plus, l'arrangement en treillis devient difficile à intégrer.

Dans le cadre de cette thèse, afin de surmonter les problèmes de temps de calcul intensif nécessaire pour l’analyse et la simulation des structures solides, nous proposons différentes étapes d’études :

  • Définition de stratégies de paramétrage intégrant des modèles squelettiques afin de bien contrôler l’arrangement et la densité des structures Lattices dans la pièce.
  • Création de modèles numériques (éléments finis) poutre et coque pour la simulation des cas de chargement (statique et dynamique). Ces modèles combinent des éléments poutre 3D Euler pour la structure en treillis et des éléments de coque représentant la peau externe.
  • Homogénéisations des structures Lattices en identifiant un modèle macro pour un comportement équivalent au modèle micro (structures réelles).
  • Couplage de l’optimisation topologique avec l’optimisation paramétrique pour définir la meilleure géométrie intégrant la bonne distribution avec la densité adéquate de structures Lattices.
  • Etude des effets des paramètres géométriques en utilisant la méthode Taguchi (arrangement, densité, diamètres de la structure 3D treillis, …), sur divers paramètres mécaniques telles que la résistance, la rigidité et le poids.
  • Optimisation en utilisant un algorithme multi-objectif et/où sous contraintes. Le problème sera formulé afin de minimiser plusieurs fonctions objectifs tel que: la masse structurelle globale et la valeur maximale de la contrainte de Von-Mises dans le réseau.

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

Présentation établissement et labo d'accueil

Université de Technologie de Belfort-Montbéliard

L'UTBM est établissement tutelle du laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 6303 CNRS/Univ. Bourgogne Franche-Comté.

Ce laboratoire compte 6 départements, dont le département scientifique COMM (Conception, Optimisation, Modélisation en Mécanique), regroupant des chercheurs en mécaniques, et situé dans les locaux de l'UTBM à Sévénans (dpt 90). Outre les thématiques de modélisation et optimisation des structures mécaniques d'une part, et d'Ingénierie numérique et conception des systèmes mécaniques d'autre part, le sujet de thèse proposé ici s'inscrit dans la thematique transversale au département COMM, traitant de la conception, la modélisation et l'optimisation de systèmes mécaniques par fabrication additive.

Intitulé du doctorat

Doctorat en mécanique

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

CoMUE UBFC

Ecole doctorale

ED Science Pour l'Ingénieur, Microtechnique. (SPIM)

Profil du candidat

Titulaire d’un diplôme d’ingénieur en mécanique (ou/MASTER2 en mécanique), le candidat devra avoir des compétences en conception et simulation numérique et modélisation des structures en mécanique des milieux déformables.

Le candidat doit être à l’aise dans l’utilisation de logiciels de concpetion CAO (comme CATIA par exemple) et de calcul numérique (Ansys ou Abaqus par exemple)

Des compétences en programmation (Matlab) seraient appréciées.

Le candidat devra faire preuve d’esprit d’initiative et d’autonomie et montrera sa volonté et son intérêt pour le sujet de recherche.

Date limite de candidature

08/06/2018
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