Bioinspired materials : Optimization of the mechanical behavior using Discrete Element Method
Matériaux bioinspirés : Optimisation du comportement mécanique en utilisant la méthode des éléments discrets
Résumé
Natural materials such as bone and the nacre of some seashells are made of relatively weak building blocks and yet often exhibit remarkable combinations of stiffness, strength, and toughness. Such performances are due in large part to their brick and mortar architectures. Many efforts are devoted to translate these design principles into synthetic materials. However, much of the progress is based on trial-and-error approaches, which are time consuming and do not guarantee that an optimum is achieved.Modeling is an appealing alternative to guide the design and processing routes of such materials. In this work, we develop a numerical model based on Discrete Element Method (DEM) to understand the reinforcement mechanisms and optimize the mechanical properties of nacre-like materials based on their microstructural parameters. The model follows the crack propagation, accounts for different reinforcement mechanisms, and quantitatively assess stiffness, strength, and toughness. An interesting approach, based on EBSD imaging, is presented to model the real material and its different microstructural variations. Results are then combined to provide design guidelines for synthetic brick-and-mortar composites comprising with only brittle constituents.
Les matériaux naturels tels que l'os et la nacre d’ormeau sont constitués de blocs de construction relativement faibles et présentent pourtant souvent des combinaisons remarquables de rigidité, de résistance à la rupture et de ténacité. Ces performances sont dues en grande partie à leurs architectures de brique et de mortier. De nombreux efforts sont consacrés à la duplication de ces principes dans les matériaux synthétiques. Toutefois, les progrès sont en grande partie basés sur des approches empiriques, qui prennent beaucoup de temps et ne garantissent pas la réalisation optimale.La modélisation est une alternative attrayante pour guider la conception et les voies de traitement de ces matériaux. Dans ce travail, nous développons un modèle numérique basé sur la méthode des éléments discrets (DEM) pour comprendre les mécanismes de renforcement et optimiser les propriétés mécaniques des matériaux de type nacre en fonction de leurs paramètres microstructurales. Le modèle suit l’évolution de la fissure, prend en compte de différents mécanismes de renforcement et évalue quantitativement la rigidité, la résistance à la rupture et la ténacité. Une approche intéressante, basée sur l'imagerie EBSD, est présentée pour modéliser le matériau réel et ses différentes variations microstructurales. Les résultats sont ensuite combinés pour fournir des directives de conception pour les composites synthétiques de type brique et mortier comprenant uniquement des constituants fragiles.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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