Homogenization of periodic and quasi-periodic architectural media towards generalized continua - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Homogenization of periodic and quasi-periodic architectural media towards generalized continua

Homogénéisation de milieux architecturés périodiques et quasi-périodiques vers des milieux continus généralisés

Résumé

This thesis aims to revisit higher-order homogenization schemes towards higher-order or higher gradient continua, successively for periodic and quasi-periodic architected materials and composites, based on variational principles and an extension of Hill macrohomogeneity condition. Continuous homogenization methods are exposed in Part I for micropolar and micromorphic media, followed by an exposition of the alternative discrete homogenization method.We have extended these theoretical developments to the situation of quasi-periodic materials, which still have a regular microstructure. The common idea to the proposed periodic homogenization methods of continuous or discrete nature is to split the microscopic displacement into a homogeneous part representative of the kinematics of the adopted effective continuum and a fluctuation evaluated from a variational principle. In substance, the theoretical developments allow the elaboration of enriched continua (generalized continua) of micromorphic type and all sub continua obtained using suitable degeneration conditions. Numerical applications have been made for architected materials and inclusion-based composites prone to higher-order effects due to their inner architecture. On the theoretical framework, the performed developments remedy many existing limitations of existing higher-order homogenization schemes.In Part II, repetitive lattice materials' effective classical and higher-order mechanical properties have been evaluated based on discrete homogenization schemes. Following the idea of a phenomenological approach, consistent couple stress models of repetitive beam lattices have been elaborated. Enriched Cosserat media have been derived in the spirit of micromechanics, adopting Timoshenko beam models at a microlevel, and applying a continualization method towards a Cosserat effective substitution medium. The proposed continualization method proves to be accurate and computationally efficient compared to continuous homogenization schemes and fully resolved finite element simulations. One key outcome of the performed analyses is the quantification of edge effects in the response of lattice structures, relying on the surface formulation of the extended Hill macrohomogeneity condition.The theoretical background underlying quasi-periodic asymptotic homogenization in the framework of linearized anisotropic elasticity deserves the development of Part III. Different methodologies for evaluating the effective quasi-periodic properties have been elaborated, leading to the emergence of strain gradient effective media. Conformal transformations define a specific class of geometrical mappings, allowing for designing compatible architected materials with inner porosity gradient, making them suitable bone biomechanics candidates.
Cette thèse vise à revisiter les schémas d'homogénéisation d'ordre supérieur vers des continuums d'ordre ou de gradient supérieurs, successivement pour les matériaux et composites architecturés périodiques et quasi-périodiques, en se basant sur des principes variationnels et une extension de la condition de macrohomogénéité de Hill. Les méthodes d'homogénéisation continue sont exposées dans la première partie pour les milieux micropolaires et micromorphes, suivies par une présentation de l’homogénéisation discrète, alternative de l’homogénéisation continue.Nous avons étendu ces développements théoriques à la situation des matériaux quasi-périodiques, de microstructure régulière, qui peut être transformée en une configuration périodique de référence. L'idée commune aux méthodes d'homogénéisation périodique proposées (de nature continue ou discrète) est de décomposer le déplacement microscopique en une partie homogène représentative de la cinématique du milieu continu effectif adopté, et une fluctuation évaluée à partir d'un principe variationnel. En substance, les développements théoriques permettent l'élaboration de continuums enrichis (milieux continus généralisés) de type micromorphe, et des variantes qui en découlent en utilisant des conditions de dégénérescence appropriées. Des applications numériques ont été réalisées pour des matériaux architecturés et des composites à renforts de type inclusion sujets à de tels effets d'ordre supérieur en raison de leur architecture interne. Sur le plan théorique, les développements réalisés remédient à de nombreuses limitations des schémas d'homogénéisation d'ordre supérieur existants.Dans la partie II, les propriétés mécaniques effectives classiques et d'ordre supérieur des matériaux architecturés ont été évaluées sur la base de schémas d'homogénéisation discrets. En suivant l'idée d'une approche phénoménologique, des modèles consistants de type couple de contraintes de réseaux de poutres répétitifs ont été élaborés. Des milieux de Cosserat enrichis ont été élaborés dans l'esprit de la micromécanique, en adoptant des modèles de poutre de Timoshenko à un niveau microscopique, et en appliquant une méthode de continualisation vers un milieu de substitution effectif de Cosserat. La méthode de continualisation proposée s'avère précise et efficace en termes de calcul par rapport aux schémas d'homogénéisation continus et aux simulations par éléments finis réalisés sur la microstructure initiale. Un résultat essentiel des analyses effectuées est la quantification des effets de bord.Le contexte théorique qui sous-tend l'homogénéisation asymptotique quasi-périodique dans le cadre de l'élasticité anisotrope linéarisée est abordé dans la troisième partie. Différentes méthodologies d'évaluation des propriétés effectives quasi-périodiques ont été élaborées, conduisant à l'émergence de milieux effectifs à gradient de déformation. Les transformations conformes définissent une classe spécifique de transformations géométriques permettant de concevoir des matériaux architecturés générant un gradient de porosité interne, ce qui en fait de bons candidats pour des biosubstituts en biomécanique osseuse.
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Dates et versions

tel-03703513 , version 1 (24-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03703513 , version 1

Citer

Seyed Ehsan Alavi. Homogenization of periodic and quasi-periodic architectural media towards generalized continua. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0305⟩. ⟨tel-03703513⟩
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