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Theses Year : 2023

Dynamic behavior of cellular materials produced by additive manufacturing for lightweight structures and crash and impact safety

Comportement dynamique des matériaux cellulaires issus de la fabrication additive pour l'allègement structural et la sécurité au crash et à l'impact

Abstract

The rise of additive manufacturing since the end of the 20th century has made it possible to consider the design of new architectural cellular materials combining lightness and high energy absorption capacity. Their use in the field of ground or air transport sectors is therefore of interest to contribute jointly to structural lightening and safety in the event of a crash and/or impact.The objectives of the research work are to investigate and model the mechanical behaviour, under uniaxial dynamic loadings, of this new category of cellular materials, the TPMS (Triply Period Minimal Surface) structures, for which the current state of the art is rather focused on quasi-static or cyclic loadings.The work presented in this thesis is organised in three parts. The first part aims to characterise the mechanical behaviour of the constitutive material, 316L steel chosen for its high ductility, produced by the SLM (Selective Laser Melting) process. The specificities induced by laser melting on a powder bed, such as anisotropy and strain rate sensitivity, are identified and modelised by material behaviour laws.The second part of this thesis focuses on the mechanical response of TPMS structures under quasi-static and dynamic solicitations. The mechanical responses of the structures show the characteristics of an ideal energy absorber with the absence of an initial peak, a long and slightly rising plateau phase, and a late densification. In addition, the deformation mechanisms are stable. Compared to other so-called conventional cellular materials, the energy absorption capacities of TPMS structures are superior with the advantage of being less sensitive to the direction of solicitation for uniaxial loading. In the dynamic regime, the observed increase in energy absorption capacities is linked to the sensitivity of the constitutive material.This experimental approach is coupled with a detailed numerical FE approach at the mesoscopic scale in order to better understand the local collapse mechanisms that measurement alone does not allow, especially under dynamic solicitations. The numerical model is capable of predicting the experimental mechanical response fairly accurately, based in particular on the material behaviour laws identified previously. Locally, the deformation is a combination of several mechanisms such as buckling, bending and shearing. Energy absorption diagrams and Gibson-Ashby laws are determined in order to relate the energy absorption capacities to the geometrical dimensions and thus to choose the most suitable configuration for the imposed specifications.
L'essor de la fabrication additive depuis la fin du XXème siècle permet d'envisager la conception de nouveaux matériaux cellulaires architecturés combinant légèreté et grande capacité d'absorption d'énergie. Leur utilisation dans les secteurs du transport terrestre ou aérien revêt alors un intérêt certain pour contribuer conjointement à l'allégement structural et à la sécurité en cas de crash et/ou d'impacts.Les objectifs des travaux de recherche sont d'étudier et de modéliser le comportement mécanique, sous chargements uniaxiaux en dynamique rapide, de cette nouvelle catégorie de matériaux cellulaires, les structures TPMS « Triply Period Minimal Surface », dont l'état de l'art actuel est plutôt centré sur les chargements quasi-statiques ou cycliques.Les travaux présentés dans cette thèse sont organisés en trois volets. La première partie vise à caractériser le comportement mécanique du matériau constitutif, l'acier 316L choisi pour sa grande ductilité, élaboré par le procédé SLM « Selective Laser Melting ». Les spécificités induites par la fusion laser sur lit de poudre telles que l'anisotropie et la sensibilité à la vitesse de déformation sont identifiées et modélisées par des lois de comportement matériaux.La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à la réponse mécanique des structures TPMS en régimes quasi-statique et dynamique. Plusieurs paramètres tels que la densité relative ou le type de géométrie sont approfondis. Les réponses mécaniques des structures présentent les caractéristiques d'un absorbeur d'énergie idéal avec l'absence de pic d'entrée, une longue phase plateau légèrement ascendante et une densification tardive. De plus, les mécanismes de déformation sont stables. Comparativement à d'autres matériaux cellulaires dits conventionnels, les capacités d'absorption d'énergie des structures TPMS sont supérieures avec l'avantage d'être moins sensible à la direction de sollicitation pour un chargement uniaxial. En régime dynamique, la hausse observée des capacités d'absorption d'énergie est liée à la sensibilité du matériau constitutif.Cette approche expérimentale est couplée à une approche numérique EF détaillée à l'échelle mésoscopique afin de pouvoir mieux appréhender les mécanismes locaux d'effondrement que la mesure seule ne permet pas, notamment en dynamique. C'est le sujet de la troisième et dernière partie. Le modèle numérique est capable de prédire assez fidèlement la réponse mécanique expérimentale en se basant notamment sur les lois de comportement matériau identifiées au préalable. Localement, la déformation se fait comme une combinaison de plusieurs mécanismes tels que le flambement, la flexion et le cisaillement. Des diagrammes d'absorption d'énergie et des lois de Gibson et Ashby sont déterminés dans l'optique de relier les capacités d'absorption d'énergie aux dimensions géométriques et donc de choisir la configuration la plus adaptée aux spécifications imposées.
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tel-04478052 , version 1 (26-02-2024)

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  • HAL Id : tel-04478052 , version 1

Cite

Hugo Carassus. Comportement dynamique des matériaux cellulaires issus de la fabrication additive pour l'allègement structural et la sécurité au crash et à l'impact. Mécanique des structures [physics.class-ph]. Université Polytechnique Hauts-de-France, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPHF0003⟩. ⟨tel-04478052⟩
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