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Science et ingénierie des matériaux et des procédés

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Soutenance de Alexandre Fallet

Mis à jour le 19 janvier 2009
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Structure et propriétés mécaniques d'empilements aléatoires de sphères creuses : caractérisation et modélisation

Thèse réalisée au laboratoire SIMaP-GPM2 sous la direction de Yves BRECHET et Luc SALVO.
Jury :
M. Andreas MORTENSEN (EPFL), rapporteur, M. Samuel FOREST (ENSMP), rapporteur, Mme Dominique POQUILLON (CIRIMAT/INPT), examinateur, M. Jacques DESRUES (3S-R/Grenoble INP), examinateur, M. Régis BOUCHET (DMSM/ONERA), examinateur, M. Yves BRECHET (SIMAP/Grenoble INP), directeur de thèse, M. Luc SALVO (SIMAP/Grenoble INP), co-directeur de thèse. Résumé
Les empilements de sphères creuses sont constitués de coques métalliques minces de forme sphérique reliées entre elles par un contact solide. Ce sont des matériaux cellulaires, à architecture interne, présentant une porosité mixte et qui possèdent des propriétés multifonctionnelles (mécanique, acoustique, thermique). L'objectif de cette thèse est d'étudier et de caractériser la structure et l'architecture des empilements afin d'établir le lien avec les mécanismes de déformation et les propriétés mécaniques effectives du matériau. Les travaux effectués se divisent en trois parties: - Caractérisation structurale: La structure et l'architecture interne de différents types d'empilements de sphères creuses en nickel et en acier inoxydable ont été examinées par tomographie aux rayons X. L'analyse des images 3D obtenues permet de caractériser précisément les paramètres structuraux des empilements, tels que les distributions de diamètre et d'épaisseur des sphères, la taille et le nombre de contacts entre sphères. L'impact du procédé d'élaboration sur la structure finale du matériau a également été mis en évidence. - Comportement et propriétés mécaniques expérimentales: Le comportement macroscopique des empilements a été étudié par la réalisation d'essais de compression simple. Ils ont notamment permis de déterminer les propriétés effectives (module d'élasticité, limite d'élasticité, module d'écrouissage) et d'établir une loi d'évolution phénoménologique de ces propriétés sous la forme d'une loi en puissance de la densité des empilements. De plus des essais in-situ en tomographie aux rayons X ont été effectués afin d'identifier au coeur de l'échantillon les mécanismes qui gouvernent la déformation et la ruine des empilements. - Modélisation numérique: Une méthode de modélisation mixte, par éléments finis et éléments discrets, a été développée pour simuler le comportement mécanique des empilements et calculer leurs propriétés effectives. Des simulations par éléments finis sur un couple de sphères creuses sont effectuées pour déterminer les lois de contact entre deux sphères. Ces relations sont ensuite intégrées dans un calcul par éléments discrets qui permet de déterminer le comportement de l'ensemble de l'empilement et ainsi de proposer des lois d'échelles reliant les propriétés mécaniques macroscopiques aux paramètres structuraux du matériau.
Mots-clés: Matériaux cellulaires, empilements de sphères creuses, tomographie aux rayons X, analyses d'images 3D, propriétés mécaniques, essais mécaniques, modélisation éléments finis, méthode des éléments discrets.

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mise à jour le 19 janvier 2009

Univ. Grenoble Alpes