Etude Des Propriétés Mécaniques de Matériaux Cellulaires Par la Tomographie Aux Rayons X Et Par Modélisation Par Éléments Finis PDF Download
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Author: Clémence Petit
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Author: Clémence Petit
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Author: Clémence Petit
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Pages : 216
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Cellular materials are highly porous systems for which two scales are mainly important: the mesostructure and the microstructure. The mesostructure corresponds to the architecture of the materials: distribution of solid phase "walls" and macroporosity and can be characterized by X-ray tomographic low resolution images. The link between the architecture of the materials and the mechanical properties has been frequently studied. The microstructure refers to the characteristics of the solid phase. Its microstructural features (presence of a secondary phase or of defects due to the sintering) can have a strong influence on the macroscopic properties. The aim of this work is to link the morphological and microstructural features of metallic and ceramic based cellular materials and their mechanical properties thanks to X-ray tomography and finite element modelling. A new method combining X-ray tomography at different resolutions, image processing and creation of finite element modelling enabled to take into account some microstuctural features of the cellular samples. Four different cellular materials were studied as model materials: aluminium foam fabricated by a liquid state process, cobalt periodic structures made by additive manufacturing, [beta]-TCP porous samples fabricated by conventional sacrificial template processing route and hydroxyapatite/[beta]-TCP composites made by additive manufacturing (robocasting). The metal based materials were provided by colleagues while the ceramic based porous materials were fabricated in the frame of the current study. For each type (metals or ceramics), a stochastic and a regular structure have been compared. For implementing the multiscale method developed in this work, the samples were firstly scanned in a so called "local" tomography mode, in which the specimen is placed close to the X-ray source. This allowed to reconstruct only the small irradiated part of the sample and to obtain a magnified image of a subregion. These images enable to observe some details which are not visible in lower resolution. Different image processing steps were performed to generate low resolution images including microstructural features imaged at high resolution. This was done by a series of thresholding and scaling of the high resolution images. The result of these processing steps was an image of the initial sample. Then, in situ mechanical tests were performed in the tomograph to follow the deformation of the sample at low resolution. The above mentioned initial images were used to produce finite element meshes. Special Java programs were adapted to create finite element input files from initial images and meshes. The initial images containing information about the solid phase, the images from the mechanical tests and the finite element models were combined to explain the mechanical behaviour of the sample by linking the experimental damage locations in the sample and the simulated stress concentration sites.
Author: Nicolas Auffray
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Languages : fr
Pages : 304
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Cette thèse a porté sur l'étude d'une classe de matériaux cellulaires, les micro nids d'abeille, destinés à combiner des propriétés mécaniques et acoustiques afin d'être employés comme absorbants acoustiques dans les tuyères des turbomachines. Les bonnes qualités d'absorption acoustique prédites par les modèles théoriques ont tout d'abord été vérifiées expérimentalement. Le travail s'est ensuite porté sur la modélisation des propriétés élastiques de ces structures. Pour ce faire une approche par milieu équivalent a été retenue et, de manière à tenir compte des effets d'échelle présents dans la structure, un milieu de substitution du type « élasticité du second gradient » a été choisi. Pour cela une méthode de construction par homogénéisation des opérateurs de cette loi de comportement a était introduite. Devant l'absence de résultats concernant les classes d'anisotropie des opérateurs d'élasticité du second ordre, une étude détaillée de ce point a conduit à l'identification des matrices à implémenter dans un code éléments finis. Les opérateurs du second ordre construits par homogénéisation ont pu ensuite être comparés à leurs formes théoriques. Ceci nous a permis de montrer que vis-à-vis du comportement de matériaux nida les effets du second ordre sont, dans certain cas, d'un ordre de grandeur comparable à ceux de l'élasticité classique. Les méthodes mises en place pour l'étude théorique des symétries des opérateurs d'élasticité sont généralisables à toutes lois de comportement linéaire.
Author: Vincent Ning Ji
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Languages : en
Pages : 116
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La méthode d'analyse de contraintes internes par diffraction des rayons X (DRX) à différentes échelles d'observation (microscopique, mésoscopique et macroscopique) est appliquée pour étudier l'état microstructural et mécanique des matériaux hétérogènes. Après une brève présentation du principe des méthodes, de leurs domaines d'application et des limites technologiques (chapitre 1), nous avons montré des exemples d'études sur des matériaux bi-phasés ou composites (chapitre II), sur des matériaux revêtus (chapitre III) et sur des alliages à vocation industrielle (chapitre IV). Avec un alliage intermétallique duplex à base de TiAl, nous avons réussit à déterminer expérimentalement, par des essais in-situ sous un goniomètre, les constantes d'élasticité, le niveau de contraintes internes et la loi de comportement de chaque phase en fonction des différentes microstructures duplexes. Les informations locales, directes et précises obtenues par DRX servent à alimenter la modélisation micromécanique qui donne des résultats cohérents avec les essais mécaniques macroscopiques. Les analyses fines par DRX sur des échantillons "modèles" de composites à matrice céramique (CMC) et sur des micro composites de CMC permettent de quantifier l'état mécanique hétérogène de chaque composant (renfort, interphase et matrice) et de confirmer l'origine thermique des contraintes internes. Les résultats de modélisation en tenant compte uniquement des aspects de dilatations thermiques présentent un bon accord avec ceux obtenus par DRX. Sur des revêtements épais de Cu obtenus par projections thermiques (APS, VPS, IPS et HVOF), la méthode de DRX permet de déterminer les modules d'élasticité avec des essais de traction in-situ et la distribution de contraintes macroscopiques dans l'épaisseur du revêtement et dans le substrat de Nb. Les résultats obtenus ont permis de qualifier les procédés de projection thermique et d'optimiser les propriétés mécaniques recherchées. Se basant sur un modèle métallo-thermo-mecanique par éléments finis et sur des études expérimentales, la modélisation numérique a réussit à prédire le champ thermique, la solidification et les contraintes pour le procédé HVOF. En développant une nouvelle méthode d'analyse qui tient compte de l'état bi-axial de contraintes résiduelles, nous avons pu déterminer, par un essai de traction in-situ sous un goniomètre, la limite d'élasticité d'une couche de TiN sur son substrat en acier. La nouvelle méthode tient compte des interactions entre la couche mince et son substrat dans les domaines élasto-plastiques et plastiques, elle est simple à mettre en oeuvre et à utiliser. En introduisant les informations de l'énergie de déformation et des contraintes internes dans les couches minces métalliques (Cu et Ag), nous avons démontré le rôle non-négligeable de l'énergie de déformation, en plus de l'énergie de surface, dans le grossissement anormal des grains en utilisant les informations microstructurales, notamment l'orientation cristallographique préférentielle des grains. Avec l'analyse des contraintes internes microscopiques par élargissement de raies de DRX, 3 alliages CFC (Al 7475, Al 5083 et inconel 600) déformés plastiquement ont été étudiés afin de suivre l'évolution de la microstructure. Les résultats obtenus par DRX sont très intéressants et riches en information par comparaison aux observations directes effectuées en MET. En plus des informations à l'échelle microscopique, l'élargissement des raies est corrélée avec les paramètres mécaniques macroscopiques, tels que le taux d'écrouissage (dans le présent manuscrit), la dureté et la limite d'élasticité (dans les autres études). L'analyse de l'élargissement des raies est ensuite appliquée pour suivre: l'endommagement en corrosion sous contrainte d'un alliage Inconel 600, ou l'endommagement en déformation plastique et en fatigue oligo-cyclique d'un acier 20CDYO5-08.
Author: Arnaud Fazekas
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Languages : fr
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Les matériaux cellulaires trouvent des applications industrielles variées : structures portantes, absorbeurs d'énergie, électrolyte de batteries (matériau métallique) ou plus traditionnellement emballage et confort dans le cas des polymères. La géométrie possède une influence marquée sur leurs propriétés mécaniques et la présente étude s'inscrit dans une volonté d'établir des relations microstructures-propriétés sur de tels matériaux. L'objectif est notamment d'étudier la dispersion des propriétés mécaniques en fonction de la variabilité de l'architecture du matériau cellulaire. Nous avons choisi de mettre l'accent sur le module d'Young et la limite d'élasticité, ce qui correspond au respect de l'intégrité structurale d'une mousse. L'analyse se fait de manière numérique (méthode des Eléments Finis) en modélisant la structure cellulaire par un réseau de poutres. Des lois d'échelle étendues décrivant les évolutions du module d'Young ou de la limite d'élasticité, en fonction de la densité relative et de paramètres rendant compte de la diversité des architectures sont alors proposées. Dans la littérature, les études analogues sont généralement basées sur des structures créées à partir de la tessellation de Voronoï ce qui conduit à des géométries peu diversifiées et peu réalistes en terme de minimisation d'énergie de surface notamment. De ce fait, nous avons concentré nos efforts sur l'influence de la distribution en taille des cellules en exploitant la méthode des plans radicaux. En plus de cette analyse numérique, des matériaux réels modèles ont été recherchés. Trois matériaux cellulaires susceptibles de proposer un certain contrôle de leur architecture sont présentés ainsi que les résultats des essais mécaniques réalisés et les tendances que l'on peut dégager concernant l'influence de l'architecture sur les caractéristiques mécaniques. Les outils numériques développés pendant la thèse sont également utilisés afin de modéliser ces structures réelles.
Author: Mathilde Loretz
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Languages : fr
Pages : 184
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L'objectif de cette étude est la compréhension des phénomènes de transfert thermiques et notamment radiatifs au sein de mousses métalliques et céramiques ainsi que le développement d'un outil capable de prédire ces transferts en tenant compte de la microstructure réelle obtenue par tomographie aux rayons X. Du fait de leur nature, le comportement thermique des matériaux cellulaires est gouverné par deux paramètres : la nature du matériau constitutif et la nature de la microstructure cellulaire. Dans un premier temps, nous analysons les caractéristiques morphologiques des mousses étudiées et nous comparons les propriétés issues de la microstructure tomographiée à celles obtenues par des méthodes plus classiques. Nous identifions ensuite les propriétés optiques des matrices solides composant les différentes mousses à partir de la microstructure des matériaux obtenue par tomographie aux rayons X. Les résultats obtenus sont comparés à des méthodes existantes réalisant des hypothèses sur le comportement de surface des matrices solides. Le transfert de chaleur par rayonnement est enfin prédit à l'aide des propriétés morphologiques et optiques. Les résultats obtenus sont comparés à des méthodes utilisant la modélisation structurelle afin d'approcher au mieux la morphologie des mousses.
Author: Alexandre Iltchev
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Languages : fr
Pages : 0
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Grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques spécifiques, les matériaux cellulaires architecturés présentent un fort intérêt pour répondre aux problématiques du secteur aéronautique. Cependant, la modélisation d'une structure macroscopique incluant un matériau cellulaire nécessite, soit de modéliser complètement l'architecture à l'échelle mésoscopique - ce qui est coûteux en temps de calcul - soit d'utiliser un Milieu Homogène Equivalent (MHE). Ainsi, cette thèse propose de caractériser un matériau cellulaire modèle constitué d'un empilement de tubes, selon un motif carré ou hexagonal, puis d'identifier un modèle phénoménologique rendant compte du comportement mécanique inélastique du matériau. Dans un premier temps, le matériau est caractérisé sous chargements multi-axiaux à l'aide de simulations éléments finis périodiques en petites déformations. Le comportement homogénéisé en petites déformations est ensuite utilisé pour l'identification d'une Loi Homogène Equivalente (LHE) compressible et anisotrope, qui permet la modélisation de structures sandwichs en remplaçant le coeur cellulaire par son MHE. Une comparaison est réalisée entre les réponses mécaniques des simulations de référence complètement maillées et celles utilisant l'approche par MHE, validant ainsi la pertinence de la méthode multi-échelle de modélisation proposée. La caractérisation en grandes déformations des deux types d'empilement est ensuite menée. D'abord, les effets de bords et les instabilités qui gouvernent le comportement macroscopique sont étudiés. Puis, après une étude du volume élémentaire représentatif des empilements, la caractérisation du comportement inélastique par la technique de l'homogénéisation périodique est réalisée. Le comportement adoucissant en compression de l'empilement hexagonal est ainsi étudié. Finalement, une extension des LHE identifiées en petites déformations est proposée pour rendre compte du comportement en compression du matériau observé en grandes déformations.
Author: Thomas Boudou
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Languages : fr
Pages : 163
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Book Description
Nous avons cherché ici à développer une technique permettant de caractériser la rhéologie d'échantillons biologiques: l'aspiration par micropipette. Parallèlement à la mise en œuvre de l'expérience, nous avons développé un modèle théorique de l'enpérience. Ainsi, et grâce à la mise en place d'une modélisation aux éléments finis, nous avons réussi à proposer une méthode originale permettant de quantifier les propriétés mécaniques d'échantillons biologiques isotropes. Afin de valider cette méthode, nous nous sommes intéressé à des substrats cellulaires bien connus en biologie, les gels de polyacrylamide. Ces polymères sont en effet régulièrement utilisés afin d'étudier l'influence de la rhéologie du substrat sur les processus cellulaires ou pour mesurer les forces de traction cellulaires. Il existait donc le besoin fort d'une quantification précise des propriétés mécaniques de ces gels auquel nous avons répondu en établissant leur quasi-incompressibilité et en proposant une relation entre rigidité et concentrations initiales en monomères.Ayant observé que ces gels pouvaient présenter un comportement non-linéaire lorsqu'ils étaient soumis à de fortes aspirations, nous avons étendu notre modèle numérique et nous avons réussi à développer une méthode de caractérisation des propriétés hyperélastiques non-linéaires grâce à laquelle nous avons caractérisé le comportement rhéologique de ces gels soumis à de grandes déformations.En étudiant l'importance de ce comportement sur des mesures de forces de traction cellulaires précédemment publiées, nous avons observé des écarts de près de 50% lorsque le comportement non-linéaire était ou non pris en compte.
Author: Arnaud Germaneau
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Languages : fr
Pages : 307
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Book Description
Le travail présenté dans ce mémoire concerne le développement de techniques de mesures dans le volume. Trois approches ont été développées pour étudier les effets mécaniques 3D dans les matériaux et les structures. La première est la photoélasticimétrie 3D par découpage optique qui permet d’observer les différences de contraintes ou de déformations principales au cœur de structures fabriquées dans un matériau transparent. La deuxième approche est la Corrélation d’Images Volumiques (CIV) associée à la tomographie par découpage optique. La CIV, qui est l’extension en 3D de la corrélation d’images numériques, fournit les champs volumiques des déplacements et des déformations. La tomographie par découpage optique est une technique d’acquisition d’images volumiques dans les matériaux transparents. La dernière approche est la CIV associée à la microtomographie par rayons X. Celle-ci permet d’acquérir des images volumiques dans les matériaux non-transparents. Plusieurs essais expérimentaux de déplacements et de déformations sont présentés dans le but de confronter ces trois méthodes et afin de déterminer leurs champs d’applications, leurs performances, leurs avantages et inconvénients. En termes d’applications, la photoélasticimétrie 3D et la CIV par découpage optique sont utilisées pour l’analyse expérimentale du comportement mécanique de rotules aéronautiques dans le but de rendre plus réaliste la modélisation numérique des éléments rotulés. Concernant les matériaux non-transparents, la corrélation volumique et la microtomographie par rayons X sont employées pour étudier le comportement mécanique de l’os spongieux.
Author: Jean-Pierre Eberhart
Publisher: Bordas Editions
ISBN: 9782040187972
Category : Electron microscopy
Languages : fr
Pages : 614
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