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Theses Year : 2021

mechanical properties of auxetic hybrid lattices

propriétés mécaniques de treillis auxétiques hybrides

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Abstract

The current industrial challenges are strongly linked to the minimization of energy costs and require the optimization of the systems used for this purpose. This is the case in the field of transports, where the reduction of on-board mass is a necessity to achieve the objectives of reducing energy expenses. Mechanical energy dissipation devices are no exception. In this context, lattice structures show high dissipation capacities with regard to their mass, and are therefore candidates for replacing mechanical parts in use. Among lattice structures, negative Poisson's ratio structures can exhibit higher dissipation than conventional structures. Nevertheless, these structures are subject to deformation modes that can affect their performance. This thesis work aimed at exploring the new possibilities brought by additive manufacturing technologies, in order to improve the specific mechanical properties of periodic lattices, especially for energy dissipation, by a hybridization strategy consisting in filling the vacant volume of the lattices with a material of different nature. First, two new auxetic lattices are introduced, their elastic and elasto-plastic properties are studied numerically via a homogenization strategy using periodic boundary conditions. Subsequently, an experimental and numerical campaign comparing mechanical properties of two polymer lattices with their elastomer-filled composite counterparts is detailed. The analysis of the compression tests shows an increase in the elastic properties of the composites, as well as an increase in the stress levels and densification strain. The delayed densification observed on the composite lattices allows a longer stress plateau, more desirable for energy dissipation applications, leading to an increase in specific energy absorption and absorption efficiency. Finally, metal lattices are manufactured by SLM before being filled with polyurethane. The resulting hybrid structures are studied both experimentally and numerically via compression tests, but also under X-ray tomography to observe the internal deformations of the lattices. Results suggest that a strong contrast in properties between the constituent materials can mitigate the increase in mechanical properties.This work confirms that hybridization can be an effective option to increase the specific mechanical properties of the lattices, including the specific energy dissipated.
Les enjeux industriels actuels sont fortement liés à la minimisation des dépenses énergétiques et requièrent à cette fin l'optimisation des systèmes employés. C'est le cas par exemple dans le domaine des transports, où la réduction des masses embarquées est une nécessité pour atteindre les objectifs de diminution des dépenses énergétiques. Les systèmes visant à dissiper de l'énergie mécanique n'y font pas exceptions. Dans cette optique, les structures treillis font preuve de capacités de dissipation élevées relativement à leur masse, et sont donc candidates pour le remplacement des pièces mécaniques en usage. Parmi les treillis, les structures à coefficient de Poisson négatif permettraient une dissipation supérieure aux structures conventionnelles. Néanmoins, ces structures sont soumises à des modes de déformation et d'endommagement pouvant nuire à leurs performances. Ces travaux de thèses s'inscrivent dans l'exploration des possibilités visant à améliorer les propriétés mécaniques spécifiques des treillis périodiques, notamment pour la dissipation d'énergie, par une stratégie d'hybridation consistant à remplir le volume vacant des treillis par un matériau de nature différente. Dans un premier temps, deux nouveaux treillis auxétiques sont proposés, et leurs propriétés élastiques et élasto-plastiques sont étudiées numériquement via une stratégie d’homogénéisation utilisant des conditions aux limites périodiques. Par la suite, une campagne expérimentale et numérique comparant mécaniquement deux treillis en polymère avec leurs équivalents composites remplis par un élastomère est détaillée. L’analyse des essais de compression permet d’observer une augmentation des propriétés élastiques des composites, ainsi qu’une augmentation des niveaux de contraintes et de la déformation à densification. La densification retardée observée sur les treillis composites permet un plus long plateau de contrainte, plus souhaitable pour des applications en dissipation d’énergie, entrainant une augmentation de l’énergie spécifique dissipée et de l’efficacité d’absorption. Enfin, des treillis métalliques sont réalisés par SLM avant d’être remplis de polyuréthane par moulage. Ces structures hybrides sont étudiées aussi bien expérimentalement que numériquement, via des essais de compression, mais également sous tomographe à rayons X pour observer les déformations internes du treillis. Les résultats suggèrent cependant qu'un fort contraste de propriétés entre les matériaux constitutifs peut atténuer l'accroissement des propriétés mécaniques.Ces travaux confirment que l'hybridation peut être une option efficace pour augmenter les propriétés mécaniques spécifiques des treillis, et notamment l'énergie spécifique dissipée.
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tel-03677608 , version 1 (24-05-2022)

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  • HAL Id : tel-03677608 , version 1

Cite

Frédéric Albertini. propriétés mécaniques de treillis auxétiques hybrides. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2021. Français. ⟨NNT : 2021HESAE026⟩. ⟨tel-03677608⟩
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