A dynamic behaviour study of architected materials made by additive manufacturing
Etude du comportement dynamique de matériaux architecturés issus de fabrication additive
Résumé
This thesis deals with the development of a design methodology of periodic cellular materials, made usingadditive manufacturing, for improving the mechanical response of shock absorbers. The key points of the designmethodology are the following: (1) among the canonical geometries, identify the geometries with high energyabsorption capacities, (2) choose the most effective cell and optimize its geometry for a critical loading condition,(3) homogenize the nonlinear mechanical behaviour of the cell and (4) integrate the determined behaviour intoa macrostructure as an equivalent homogeneous material. The first step is solved studying 4 geometries throughan extensive sensitivity analysis, evaluating the influence of geometry, strain rate effects and geometricalimperfections on the energy absorption capacity of the cell. The second step is solved optimizing, the geometricalparameters of the cell to maximize its energy absorption capacity, while respecting geometrical and mechanicalconstraints, using a genetic algorithm (ERASMUS). The third step is solved using a nonlinear incrementalhomogenization method applied to the previously studied periodic cellular materials. Finally, experimentalcampaigns have been carried out to assess the influence of geometry and strain rate on the mechanical responseof samples made of periodic cellular materials. These results put forward possible numerically assisted designand simulation tools for structures made of architected materials and subject to dynamic loads.
Cette thèse porte sur le développement d'une méthodologie de conception de matériaux cellulaires périodiques,issus de la fabrication additive, pour l'amélioration de la réponse mécanique d'absorbeurs de chocs. Laméthodologie de conception proposée est la suivante : (1) parmi les géométries conventionnelles, identifier lescellules à haute capacité d’absorption d’énergie, (2) sélectionner la plus performante et en optimiser la géométriepour un cas de chargement critique, (3) homogénéiser le comportement mécanique non linéaire cellulaire et (4)intégrer ce comportement dans une macrostructure comme matériau homogène équivalent. Le premier point estrésolu en étudiant 4 topologies d’architectures au travers d’une analyse de sensibilité extensive, en évaluantl’influence de la géométrie, de la vitesse de chargement, et de défauts géométriques, sur la capacité d’absorptiond’énergie de ces cellules. Le second point est résolu en optimisant les paramètres géométriques cellulaires pouren maximiser la capacité d’absorption d’énergie, tout en respectant des contraintes géométriques et mécaniques,via l’emploi d’un algorithmes génétiques (ERASMUS). Le troisième point est résolu en employant une méthoded’homogénéisation non-linéaire incrémentale appliquée sur les géométries cellulaires précédemment étudiées.Enfin, des campagnes expérimentales sont menées afin d’évaluer expérimentalement l’influence de la géométrieet de la vitesse de chargement sur la réponse mécanique d’éprouvettes constituées de matériaux cellulairespériodiques. Ces résultats mettent en avant de premiers outils numériques d’aide à la conception et la simulationde structures constituées de matériaux architecturés et soumises à des cas de chargement dynamiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)