Le thème « Tribologie et Matériaux » s’intéresse à l’étude de l’endommagement des matériaux sous l’action de sollicitations. Les endommagements peuvent se situer au cœur des pièces (plasticité, rupture, fatigue), ou à leurs surfaces (frottement, usure, fissuration et autres aspects tribologiques). Les sollicitations étudiées peuvent être sévères (pression, vitesse, température, hygrométrie) aussi bien en chargement dynamique que statique. Les types de matériaux étudiés sont divers : métalliques, composites (matrice organique ou métallique), céramiques, élastomères ou polymères. Le phénomène de fatigue constitue un élément récurrent des recherches du thème Tribologie et Matériaux. Ce principe d’accumulation du dommage sous l’action de sollicitations dynamiques peut se traduire par une destruction du composant à cœur (fatigue volumique) aussi bien qu’en surface (fatigue de surface, impliquée dans le fretting-fatigue ou le micro écaillage). L’étude de ces phénomènes se fait par des travaux de modélisation et des travaux expérimentaux réalisés sur des dispositifs originaux développés au sein du laboratoire.
L’étude de la microgéométrie vise à inscrire les propriétés des matériaux au cœur des performances tribologiques de contacts et assemblages collés multi-matériaux. L’effort de recherche se porte sur la compréhension des phénomènes induits localement par les spécificités de la surface des pièces. L’une des particularités des surfaces fonctionnelles est leur rugosité, caractérisée par des variations d’altitude de l’ordre du micromètre, qui rend le contact entre deux pièces discontinu et stochastique par nature. Il convient également de prendre en compte les différences de nature et de propriétés entre les matériaux à la surface et à cœur et entre les pièces en contact.
Enfin, ces recherches sont enrichies par l’analyse des endommagements afin de les relier aux microstructures observables à différentes échelles dans le matériau. Les endommagements peuvent être induits par divers types de sollicitations mécaniques (traction, torsion, flexion, choc, crash-test,…) ou thermiques (soudage, par exemple). Cette activité est complétée par la mise au point de procédés de fabrication, tels que la métallurgie des poudres, le RTM et autres techniques hors autoclave, permettant d’optimiser les propriétés des matériaux et de prendre en compte des aspects environnementaux par l’utilisation de chutes de matières (copeaux métalliques, polymères, élastomères) dans la composition des matériaux ainsi formés.
Le terme « fretting » décrit à la fois des conditions tribologiques spécifiques (sollicitations vibratoires à amplitude de débattement faible, qui peut générer un glissement des interfaces limité tel qu’une portion des surfaces nominales reste toujours en contact) et le mécanisme d’endommagement résultant. Celui-ci peut faire intervenir des combinaisons de mécanismes élémentaires de type usure (abrasion, grippage …) et fatigue de contact (amorçage de fissure, écaillage, délamination …).
Cette activité de recherche se focalise sur l’étude expérimentale des phénomènes d’endommagement par fretting pur, sans couplage avec des sollicitations de fatigue volumique des échantillons. Les phénomènes de type fretting-fatigue et fretting-usure des surfaces sont simulés expérimentalement pour l’étude des performances de substrats métalliques ou composites, et pour la caractérisation de solutions palliatives aux endommagements (traitements de surface et revêtements).
Les deux moyens d’essais dédiés (Vibro-Cryo-TriboMètre et Vibro-Thermo-TriboMètre) permettent de couvrir une large plage d’ambiances thermiques (températures cryogéniques en bain d’azote liquide, jusqu’à 600°C par air pulsé). Un contrôle en parallèle de l’hygrométrie est également possible grâce à une enceinte climatique externe mobile.
Les porte-échantillons et les dispositifs de réglage des moyens d’essais sont spécifiquement conçus pour permettre l’étude de situations de contact surfacique (plan/plan ou autres géométries de contacts conformels).
Cette problématique est abordée de plusieurs manières :
(i) Analyses locale des endommagements
(ii) Caractérisation de la raideur de contact
(iii) Caractérisation de l’évolution de l’amortissement par frottement sec
Analyse locale des endommagements
En particulier pour l’étude des surfaces rugueuses en configuration surfacique, l’estimation de l’usure et la compréhension des phénomènes d’endommagements nécessite des approches locales. Les mouvements de matières et transformations de surface sont d’un ordre de grandeur proche ou inférieur aux états de surface d’origine.
La mise en place de méthodes d’analyses topographiques 3D comparatives entre les surfométries avant et après essais est un moyen de mettre en évidence de manière fine ces endommagements tribologiques.
Caractérisation de la raideur de contact
La modélisation du comportement mécanique de différentes structures assemblées nécessite la connaissance du comportement des interfaces, qui comprends notamment les raideurs normales et tangentielles du contact. Les conditions de chargement ainsi que les endommagements tribologiques sont susceptibles de faire fortement évoluer la raideur de l’interface.
La mesure directe de la raideur réelle de contact à partir de cycles d’hystérésis efforts tangentiel/déplacement résulte d’un positionnement au plus proche du contact des capteurs, d’une connaissance précise de la chaîne de mesure, ainsi que de la caractérisation du comportement des différentes parties mécaniques du banc d’essai.
Caractérisation de l’évolution de l’amortissement par frottement sec
La modélisation du comportement vibratoire des structures assemblées implique la maîtrise des différentes sources d’amortissement. Une partie peut venir du comportement intrinsèque des matériaux, mais les interfaces de contact soumises à des micro-glissements peuvent également être une source de dissipation.
Le post-traitement des cycles d’hystérésis effort/déplacement couplé à une modélisation du banc permet de caractériser un taux amortissement pour une situation tribologique, et de quantifier son évolution avec l’endommagement.
Cette activité de recherche porte sur la détection/prédiction et la caractérisation de dommages susceptibles d’apparaître au cours de la vie d’un produit. L’existence des ces dommages est pris en compte dans la démarche intellectuelle de dimensionnement qui aboutit à la certification des structures composites et/ou structures assemblées par collages. Le principe de tolérance aux dommages consiste à dimensionner une structure pour lui permettre de tolérer la présence de différents types de dommages, soit par des éléments de redondance mécanique, soit par des marges de sécurité supplémentaires, soit par l’utilisation de matériaux aux caractéristiques intrinsèques plus performantes. La fiabilité des résultats de caractérisation de dommages est étudiée à l’aide des lois probabilistes adéquates pour chaque type d’endommagement.
Nous abordons cette problématique de plusieurs manières :
A l’aide de la mécanique de la rupture on peut étudier le comportement d’une structure avec des défauts. Ces défauts peuvent être visibles (fissures débouchantes) ou invisibles (fissures internes). L’analyse en mécanique de la rupture corrèle des paramètres provenant du chargement, de la géométrie, et du matériau. Les modes élémentaires de rupture sont caractérisés selon le déplacement relatif des lèvres de la fissure. Il existe trois modes élémentaires de fissuration. Le premier mode est le mode d’ouverture ou clivage (mode I), c’est un mode de traction normal au plan de la fissure. Le second mode est le mode de glissement droit (mode II) qui correspond à un mode de cisaillement parallèle au plan de fissure et perpendiculaire au front de fissure. Le dernier mode est le mode de glissement qui correspond à un mode de cisaillement parallèle au plan de fissure et parallèle au front de fissure (mode III).
Au laboratoire, nous avons conçu un banc qui permet de caractériser l’énergie nécessaire pour générer la propagation d’une fissure lorsque le taux de restitution d’énergie dépasse l’énergie totale nécessaire à la propagation de la fissure Gc. La cinétique de propagation des dommages, les courbes de propagation et loi de Paris sont ensuite établies.
(ii) Modification et caractérisation de surface des adhérents [3-5]
Afin de conférer à un adhèrent des bonnes propriétés d’adhésion, l’état de surface doit être maîtrisé. Les facteurs qui augmentent la surface réelle de contact, comme la rugosité, favorisant l’adhésion par un processus d’ancrage mécanique, ainsi que la mouillabilité est employée pour évaluer l’adhésion. Elle consiste à étudier l’aptitude d’un liquide à s’étaler à la surface du solide.
Approche analytiques et numérique
La simulation multi-échelles multi-physiques [6-7] permet de prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux en présence de sollicitations sévères (température, humidité couplées avec la mécanique).
Collaborations :
Airbus Helicopters, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax, École National d’Ingénieurs de Tunis
[6] A. Bechikh, O. Klinkova, Y. Maalej, I. Tawfiq, R. Nasri. Effect of dry abrasion treatments on composite surface quality and bonded joints shear strength. IJAA, 2021
Les états de surface jouent un rôle majeur dans la performance des interfaces fonctionnelles soumises à des sollicitations de service. De la maîtrise des états de surface dépendent des fonctionnalités variées comme le guidage, la transmission de puissance, l’étanchéité, les fixations,… De plus, ils interviennent dans de nombreux phénomènes de dissipation d’énergie et/ou d’endommagement tels que le frottement, l’usure, l’échauffement, les vibrations induites par le frottement, l’écaillage, ….
Il convient de distinguer les évolutions précoces de surface, issues d’un processus de rodage et qui visent à améliorer la performance, des évolutions en service, qui dégradent progressivement la performance et limitent la durée de vie. Au sein du thème tribologie et matériaux, nous abordons cette problématique de plusieurs manières :
via l’analyse fonctionnelle,
via la modélisation des états de surface,
via des essais tribologiques,
via la mesure des évolutions de la microgéométrie,
via la simulation des phénomènes
L’analyse fonctionnelle permet d’identifier, les phénomènes à optimiser et de remonter aux paramètres influents au premier ordre (dont les états de surface, les matériaux, la nature du contact, la cinématique relative ou le chargement). Elle permet d’orienter la démarche de conception ainsi que la stratégie de caractérisation expérimentale adéquate.
La modélisation des états de surface vise à obtenir une description de la microgéométrie en relation avec la fonctionnalité visée. Elle s’appuie autant que possible sur des paramètres normalisés et sur les descriptions stochastiques des surfaces fonctionnelles. Cette approche permet d’obtenir la réponse moyenne d’une classe de surfaces vis-à-vis d’une sollicitation.
Les essais tribologiques sont véritablement incontournables pour la compréhension des phénomènes, leur maîtrise et pour la détermination des domaines de validité des modèles proposés. Pour cela, de longue date, le thème tribologie et matériaux conçoit et développe pour son compte et pour le compte de ses partenaires, des moyens d’essais originaux permettant de solliciter de manière réaliste des éprouvettes représentatives des applications industrielles. Cette approche permet de disposer de bancs adaptables facilement.
La mesure des évolutions de la microgéométrie est une phase clé de cette activité car elle permet de décrire et quantifier les effets du chargement sur la microgéométrie des pièces en contact. Plusieurs techniques sont utilisées : microscopie optique, MEB, surfomètres avec ou sans contact,… Cette quantification, couplée avec les résultats d’essais, permet d’estimer les performances des différentes solutions testées (matériaux, traitements de surface, revêtements,…)
La simulation des phénomènes permet d’ajouter à la compréhension des physiques en jeu en « observant » l’interface lorsqu’elle est fermée (lorsque le contact est établi), là où il est impossible d’instrumenter un essai. Cette approche permet de prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux et d’appuyer les choix de traitements de surface et revêtements adéquats. L’activité de simulation utilise notamment la méthode des éléments finis.
[1] Ich Tach Tran, Vérification de la validité du concept de surface somme par une approche statistique du contact élastique entre deux surfaces rugueuses, thèse soutenue le 26/01/2015, Ecole Doctorale SPI, Ecole Centrale de Paris.
[2] Stéphane Tchoundjeu-Ngatchou, Caractérisation des performances d’endurance des lubrifiants par suivi des états de surfaces tridimensionnels, thèse soutenue le 08/10/2013, Ecole Doctorale SPI, Ecole Centrale de Paris.
[3] F. Robbe-Valloire, B. Paffoni, R. Progri, Load transmission by elastic, elasto-plastic or fully plastic deformation of rough interface asperities, Mechanics of Materials 33 (2001), Issue 11, pp.617-633
[4] F. Robbe-Valloire, Statistical analysis of asperities on a rough surface, Wear 249 (2001) 401–408
[6] ISAE-Supméca (TriboMat) ARTEMA Guide méthodologique pour la définition, la réalisation et le contrôle des portées de joints d’étanchéité à paraître.
Nos travaux de recherche visent à reproduire numériquement la réponse jusqu’à la rupture de structures métalliques de grandes dimensions face à des surcharges accidentelles (collision, choc, …). L’objectif est d’améliorer la prédiction numérique de la tenue de telles structures vis-à-vis de ce type de sollicitations. On s’intéresse plus particulièrement à la durabilité (nocivité des défauts, capacité d’arrêt de fissure, …) des structures navales et aéronautiques soumises à des chargements intenses et rapides, mettant en jeu des grandes déformations et vitesses de déformation.
La rupture ductile est généralement la conséquence (i) d’un endommagement plus ou moins diffus induit par la germination et la croissance de micro-cavités, (ii) d’une localisation de l’endommagement/déformation dans une bande étroite, et (iii) de la formation et la propagation de macro-fissures.
Dans le cas de la rupture ductile de grandes structures métalliques, on peut distinguer typiquement deux échelles :
Échelle macroscopique : correspondant à l’échelle de la structure (ordre du mètre)
Échelle microscopique : correspondant à l’échelle des mécanismes d’endommagement/rupture (ordre du µm)
La difficulté est de combiner ces deux échelles au sein d’un même modèle basé sur les éléments finis. En effet, à l’échelle de la structure, on souhaite utiliser des éléments finis de grandes dimensions, mais afin de décrire les mécanismes d’endommagement/rupture, on doit utiliser des éléments finis compatibles avec l’ordre de grandeur de ces mécanismes.
D’un point de vue industriel, où l’on souhaite des calculs rapides, on doit alors utiliser des éléments finis de grandes dimensions. Notre objectif est alors de reproduire dans une méthodologie tridimensionnelle unifiée, les étapes successives menant à la rupture ultime de la structure en intégrant les mécanismes d’endommagement/rupture du matériau dans la formulation des éléments finis (de grandes dimensions) tout en s’assurant de l’objectivité des résultats numériques par rapport au maillage.
Le modèle unifié développé dans le cadre de ces travaux est schématisé ci-dessous pour un élément finis 3D :
Pour décrire l’endommagement diffus (i), le matériau est supposé obéir ici au modèle de plasticité microporeuse de GTN. Les conséquences cinématiques de l’ouverture de la fissure (iii), sont décrites par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). L’étape intermédiaire de localisation (ii), qui est la plus complexe à reproduire d’un point de vue physique et numérique, est ici décrite via un modèle de zone cohésive (CZM) dans le contexte de la XFEM. Le CZM permet de décrire la dégradation progressive des propriétés mécaniques du matériau au sein de la bande de localisation, induite par la coalescence des micro-cavités et conduisant finalement à l’apparition de la macro-fissure.
Dans nos travaux, un intérêt particulier est porté d’une part, aux critères de transition entre endommagement diffus et localisation, et d’une part, à la détermination de l’orientation du plan de localisation. La localisation est traitée ici comme un phénomène résultats soit d’une instabilité plastique (a), soit de la coalescence des microcavités (b).
Deux critères ont alors été développés : (a) le premier est basé sur l’analyse de bifurcation, tandis que (b) le second repose sur une porosité critique et rend compte de la compétition entre Mode I et II en fonction du taux de triaxialité.
Le modèle développé dans le cadre de ces travaux de recherche, est implémenté en tant que routine utilisateur (UEL) dans le code de calculs commercial Abaqus. Ses performances sont évaluées par des simulations numériques d’éprouvettes tridimensionnelles soumises à divers cas de chargement.
On peut voir ci-dessous la réponse mécanique (à gauche) d’une éprouvette axisymétrique entaillée sollicitée en traction et son facies de rupture (au centre), obtenus numériquement pour deux tailles de mailles avec le modèle développé dans le cadre de nos travaux de recherche, et à droite le facies de rupture réel. On peut noter d’une part, que le modèle est capable de reproduire le facies de rupture réel en « cup and cone ». D’autre part, on peut noter que la réponse mécanique de l’éprouvette obtenue avec notre modèle, est indépendante de la taille de maille contrairement par exemple, à l’utilisation du modèle de GTN seul.
Ci-dessous la réponse mécanique (à gauche) d’une éprouvette plate entaillée sollicitée en traction et son facies de rupture (au centre), obtenus numériquement pour deux tailles de mailles avec le modèle développé dans le cadre de nos travaux de recherche, et à droite le facies de rupture réel. Encore une fois, le modèle est capable de reproduire le facies de rupture réel et la réponse mécanique de l’éprouvette obtenue avec notre modèle, est quasi-indépendante de la taille de maille.
La méthodologie développée dans le cadre de ces travaux de recherche se révèle objective vis-à-vis du maillage et capable de reproduire correctement l’inclinaison des surfaces de rupture.
Collaborations :
ISAE-SUPAÉRO, Université de Bretagne-Sud.
Références :
K. Nikolakopoulos, J.P. Crété, P. Longère, Progressive failure of ductile metals : Description via a three-dimensional couples CZM-XFEM based approach, Engineering Fracture Mechanics, Volume 243, pages 1-34, 2021.
K. Nikolakopoulos, Modélisation numérique des structures hautes résistance soumises à des sollicitations sévères, Doctorat de l’Université de Toulouse, 2020.
K. Nikolakopoulos, J.P. Crété, P. Longère, Volume averaging based integration method in the context of XFEM-cohesive zone model coupling, Mechanics Research Communications, Volume 104, pages 1-7, 2020.
J. Wolf, P. Longère, J.P. Crété, J.M. Cadou, Strain localization in ductile materials : Assessment of three X-FEM-based enrichment methods, Mechanics Research Communications, Volume 99, pages 1-7, 2019.
J. Wolf, P. Longère, J.M. Cadou and J.P. Crété, Numerical modelling of strain localization in engineering ductile materials combining cohesive models and X-FEM, International Journal of Mechanics and Materials in Design, Volume 14, pages 177-193, 2018.
J.P. Crété, P. Longère and J.M. Cadou, Numerical modelling of crack propagation in ductile materials combining the GTN model and X-FEM, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Volume 275, pages 204-233, 2014.
J.P. Crété, Traitement numérique de la fissuration d’une structure navale, Doctorat de l’Université de Bretagne Sud, 2013.
Recycled Constituent Composites includes processing and characterization of composites manufactured from recycled materials. These composites exhibit light weight and high strength, while having a low manufacturing cost. Industry has seen an increasing demand for high performance, low cost materials, as well as energy-saving production techniques.
As engineers, we are challenged to design with confidence for the long-term performance applications. Many composites manufactured from recycled materials, such as fresh scrap rubber, scrap metallic (essentially Al, Ti, Nb, Ti-AL, Ni-Al, etc.) chips, offer the light weight, strength and durability needed for aircraft and automotive applications.
Currently these composites often are made up of thermosets reinforced with ground scrap materials, producing tough, corrosion resistant parts. Machining chips are being used as the metal matrix for composites through Sintering + Forging, Thixoforming and/or Thixoinfiltration to improve the mechanical, physical -chemical properties for certain applications
I- Novel Recycled Rubber based Composites : Military & Microwave absorption Applications
This research is going on in two parts in the frame of PhD thesis Gamze CAKIR
1- Due to its high impact energy absorption properties, devulcanized recycled rubber based composites reinforced with glass bubbles, short natural fibers, etc. can be considered as a low cost candidate material for military applications which require lightweight protection against shock waves. This work aims at modeling of low cost devulcanized recycled rubber based composite behaviour at high strain rates. In that framework, we established a continuum-based material model in order to capture the macroscopic behavior of the recycled rubber based composite material and numerically reproduce the results from the basic characterization tests. The model is implemented for Finite Element Analysis Software ABAQUS/Standard as a user subroutine UMAT for implicit nonlinear finite element calculations in order to simulate the behavior of several RVEs representing the microstructure of the composite and it is behavior at high strain rates.
2- SiC whiskers and magnetic ferric oxide (Fe3O4) with fresh scrap (recycled) rubber powder (generally NBR) are used to design novel composites materials. Before mixing and milling of the scrap powder rubber is devulcanized. After a homogenous mixture (dried milling + ball milling) very simple hot compaction should be carried out to procedure a novel composite materials. The final samples were characterized by XRD, SEM, and magnetometer. Finally, the decrease values of electromagnetic waves passing through the SiC/Fe3O4/NBR composite plates in the 2 10GHz band are easily predicted numerically and compared with measured values.
II- New Design of Recycled metal based composites : Aeronautical Engineering Applications
1- Recycled aluminium (7075) based composites through Sinter + Forging ; an experimental and numerical approach for toughening mechanism
a- First part : reinforced with TiC and/or TiB2, and MoS2
b- Second part : reinforced with g-Al2O3 Fibre/Nb2Al
This research is going on in the frame of PhD thesis by Lilia Mihlyuzova
2- Design of “Cu-Zn-Al-Ni”, “NiTiCu” and “FeTi45” smart composites ; Magnetic permeability, thermal & electrical conductivities
ISAE-SUPMECA/UTCM going on supported partially French Embassy in Sofia/BG and partially AUF (for Balkan Countries). All of the basic materials as the scrap sheets were prepared by SNECMA-FRANCE & AIRBUS-LONDON-UK)
3- Manufacturing of “Ni-Ti” based composites from fresh scrap thin sheets reinforced with Nb and TiB2 through hot-forged bonding : Sandwich Structures
Schematic presentation of the 3P-Bending test (ASTM790) and experimental set up with microstructure of the sandwich composite structure before and after the bending test
4- Recycled Aluminium Based Composites Reinforced with Glass Bubbles and/or Fly Ash Micro Balloons
Produced via Thixoforming and/or Thixoinfiltration
Common Research collaboration with ISAE-SUPMEC & UNICAMP-FEM/SP/BRAZIL
Financial support partially from CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (Brazil) ; Program French Catedra UNICAMP-SP/BR
Only one project is going on :
Compressive Behaviour of AlSiMg0.5Mn Matrix Syntactic Foam Produced via Thixoinfiltration of Fly Ash Micro Balloons
Corresponding : Senior Researcher Fabio Gatamorta, PhD with Cyclotron-Sao Paulo, in Campina/BR
E. Bayraktar, I. Miskioglu, D. Katundi, and F. Gatamorta, Manufacturing of Recycled Aluminum Matrix Composites Reinforced of TiC/MoS2/Al2O3 Fiber Through Combined Method : Sintered + Forging, Springer, Chapter 3, pp. 15-25, 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-030-30028-9_3, pp.15-25, 2020, ⟨10.1007/978-3-030-30028-9_3⟩
F. Gatamorta, Dhurata Katundi, E. Bayraktar, L. M. P. Ferreira, and M. L. N. M. Melo, Magnetic Shape Memory Composite (MSMC) Design from Intermetallic Cu-NiTi-MnAl-Fe3O4 Alloy as an Alternative Replacement for Actuators, Springer, Chapter 7, pp. 47-53, 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-030-30028-9_7,
G. Katundi, D. Katundi, E. Bayraktar, and I. Miskioglu, Alternative Composite Design from Recycled Aluminum (AA7075) Chips for Knuckle Applications-II, Springer, Chapter 2, pp. 9-14, 2019, pp.9-14, ⟨10.1007/978-3-030-30028-9_2⟩
Le rôle crucial des interfaces et interphases dans les problèmes structuraux de nombreux domaines de l’ingénierie (génie civil, génie mécanique, biomécanique, électronique etc.) est désormais bien connu. Notamment elles peuvent fortement conditionner la réponse globale des structures sous sollicitations sévères.
Nos travaux de recherche portent de manière générale sur la modélisation mécanique des interphases et interfaces solides, c’est-à-dire sur l’analyse et la description mécanique de phénomènes dérivant de l’interaction entre deux solides déformables dans le cas des interfaces, et de la présence d’une couche mince (cf. adhésif, zone d’interaction physico-chimique, « troisième corps », etc.) entre solides (cf. adhérents) dans le cas des interphases.
Les problèmes d’interphase/interface sont par nature, multi-échelle. Le but principal de leur étude est souvent de décrire à l’échelle macroscopique (cf. du comportement global des structures) les effets de phénomènes ayant lieu à l’échelle microscopique et nanométrique des zones d’interactions. Les questions scientifiques qui se posent sont multiples et concernent notamment les phénomènes d’adhésion, de frottement, d’endommagement, ainsi que les propriétés spécifiques des surfaces comme la microgéométrie. La compréhension de ces phénomènes est rendue particulièrement difficile lorsqu’ils se situent au sein d’un contact ne permettant pas une observation directe. Cette difficulté se trouve exacerbée lorsqu’on traite des problèmes d’interfaces imparfaites, c’est-à-dire quand les surfaces mécaniques doivent accommoder des déplacements relatifs et transmettre des efforts.
Nous nous focalisons en particulier sur les interfaces imparfaites de type soft et hard, selon la classification des différents régimes d’interface imparfaite de Benveniste et Miloh [1]. En général, les lois d’interface imparfaite décrivent la relation entre le vecteur des contraintes d’interface et le vecteur des déplacements relatifs. Lorsqu’on a une continuité à l’interface en terme de contraintes (i.e. saut nul de contraintes à l’interface) et une discontinuité (i.e. saut non nul) en termes de déplacements, on parle d’interface soft (ou interface « spring-like ») ; tandis que l’on définit une interface hard quand on a à la fois une discontinuité des contraintes d’interface et une discontinuité des déplacements relatifs.
L’objectif principal de nos recherches est de développer des nouvelles lois d’interface imparfaite capables de tenir compte des phénomènes physiques principaux de la zone de contact ou de la couche mince qu’on souhaite modéliser. Pour ce faire, une double approche d’homogénéisation est utilisée [2] : les lois analytiques régissant le problème d’interface imparfaite (conditions d’interface, lois d’évolution, etc.) sont dérivées en s’appuyant sur la théorie des développements asymptotiques à l’ordre supérieur ; les propriétés mécaniques effectives de l’interphase sont dérivées via l’homogénéisation micromécanique.
Une telle approche a permis d’obtenir des lois d’interface imparfaite linéaires [2, 3] et non-linéaires [4-6] qui ont été efficacement appliquées pour :
décrire l’endommagement diffus (microfissuration) et son évolution dans des interfaces soft [7] et hard [8, 9] ;
obtenir les raideurs de contact équivalentes dans un problème de contact rugueux [10] ;
décrire la rupture cohésive dans des problèmes de collage [11].
Panneau en maçonnerie soumis à compression diagonale [7]. La méthode proposée permet de prédire les zones préférentielles de microfissuration.
Modèle de contact rugueux à ressorts équivalents [10]. Comparaison des raideurs de contact normales N et tangentielles T avec des données expérimentales disponibles en littérature.
Test de flexion sur nœud poutre-colonne en GFRP [11]. Détail de la rupture du joint de colle (gauche) et simulation numérique avec EF d’interface (droite).
Collaborations
Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique (Marseille), Université de Ferrara (Italie), Université de Salerno (Italie)
Références
Benveniste, Y., & Miloh, T. (2001). Imperfect soft and stiff interfaces in two-dimensional elasticity. Mechanics of materials, 33(6), 309-323.
Raffa, M. L. (2015) Micromechanical modeling of imperfect interfaces and applications. Thèse doctorale, Université de Rome “Tor Vergata” en cotutelle avec Aix-Marseille Université.
Fouchal, F., Lebon, F., Raffa, M. L., & Vairo, G. (2014). An interface model including cracks and roughness applied to masonry. The Open Civil Engineering Journal, 8, 263-271.
Dumont, S., Lebon, F., Raffa, M. L., & Rizzoni, R. (2017). Towards nonlinear imperfect interface models including micro-cracks and smooth roughness. Annals of Solid and Structural Mechanics, 9(1), 13-27.
Raffa, M. L., Lebon, F., & Rizzoni, R. (2016). On modelling brick/mortar interface via a St. Venant-Kirchhoff orthotropic soft interface. Part I : theory. International Journal of Masonry Research and Innovation, 1(2), 142-164.
Raffa, M. L., Lebon, F., & Rizzoni, R. (2018). Derivation of a model of imperfect interface with finite strains and damage by asymptotic techniques : an application to masonry structures. Meccanica, 53(7), 1645-1660.
Raffa, M. L., Lebon, F., & Rizzoni, R. (2017). On modelling brick/mortar interface via a St. Venant-Kirchhoff orthotropic soft interface. Part II : in silico analysis. International Journal of Masonry Research and Innovation, 2(4), 259-273.
Raffa, M. L., Rizzoni, R., & Lebon, F. (2021). A Model of Damage for Brittle and Ductile Adhesives in Glued Butt Joints. Technologies, 9(1), 19.
Raffa, M. L., Lebon, F., & Rizzoni, R. (2022). A micromechanical model of a hard interface with micro-cracking damage. International Journal of Mechanical Sciences, 216, 106974.
Raffa, M. L., Lebon, F., & Vairo, G. (2016). Normal and tangential stiffnesses of rough surfaces in contact via an imperfect interface model. International Journal of Solids and Structures, 87, 245-253.
Maurel-Pantel, A., Lamberti, M., Raffa, M. L., Suarez, C., Ascione, F., & Lebon, F. (2020). Modelling of a GFRP adhesive connection by an imperfect soft interface model with initial damage. Composite Structures, 239, 112034.
Les travaux effectués sur les systèmes d’absorption d’énergie (SAE) comme concept de sécurité passive sur les véhicules font l’objet d’une forte collaboration avec des équipes au niveau international. Dans la thèse de Mr Baleh (soutenue en 2004), un nouveau dispositif expérimental intitulé ACTP (Absorption par Compression-Torsion Plastique) a été breveté (no. WO 2005090822) pour améliorer la capacité dissipatrice des SAE en 2005. Pour l’aluminium, une augmentation de l’énergie absorbée dépassant 180% a été enregistrée par rapport au cas uniaxial. Ainsi, une collaboration avec des équipes américaines a été menée pour pouvoir interpréter ces augmentations faisant l’objet d’un article et un mémoire de M.Sc. (USA). 1 brevet, 4 articles publiés et communications sont la production scientifique. En suivant la même orientation, la thèse de Menouer (soutenue en avril 2018) porte sur l’effet du chargement triaxial sur l’énergie absorbée des tubes en aluminium à section carrée. Les résultats obtenus sont originaux (3 articles publiés et 3 communications).
A travers la thèse de Mr AHMED ALI (thèse pas encore soutenue), ses travaux de recherche sont basés sur l’idée du brevet délivré en 2014 (INPI : No. BT 890/1400843), des SAE non-conventionnels utilisent des tubes en acier doux traités thermiquement par cémentation de 15% de la surface extérieure. Différentes formes (anneaux, bandes verticales et hélices) sont un point clé de l’étude. Ces tubes ont été testées en compression uniaxiale quasi-statique et dynamique. Les résultats obtenus sont innovants. On compte actuellement 1 article (et d’autres en préparation) et 2 communications. Entre 2017-2019, la thèse de M. HABTE, financée par Cumpas France, qui a pour but de modéliser ces résultats par les élément-fins a été soutenue en décembre 2019. On compte 1 article publié (et d’autres en préparation), 4 communications.
Référence :
Articles dans revues internationales à comité de lecture & Brevets
1) Abdul-Latif, A., 2000, “On the Lateral Collapse of an Identical Pair of Cylinders,” International journal of Solids and Structures, vol. 37, 1955-1973
2) Nesnas, K. and Abdul-Latif, A., 2001, “Lateral Plastic Collapse of Cylinders : Experiments and Modeling,” Computer Modeling in Engineering and Sciences, vol. 2, pp. 373-388
3) Abdul-Latif, A. and Nesnas, K., 2003, “Plastic Collapse of Cylinders under Constrained Sides and Length Conditions,” ASME, Engineering Materials and Technology, vol.125, 215-221
4) Abdul-Latif, A., 2004, “A Comparison of Two Self-Consistent Models to Predict the Cyclic Behavior of Polycrystals,” ASME, Engineering Materials and Technology, vol.126, 62-69
5) Abdul-Latif A., & Baleh R., 2005, "Dispositif amortisseur à organe déformable plastiquement, notamment pour véhicules de transport," PCT/FR05/00391- délivré à l’INPI et WO 2005090822- International.
6) Abdul-Latif, A., Baleh, R., and Aboura, Z., 2006, “Some improvements on the energy absorbed in axial plastic collapse of hollow cylinders,” International Journal of Solids and Structures, vol.43, 1543-1560
7) Baleh, R., and Abdul-Latif, A., 2007, “Uniaxial-biaxial transition in quasi-static plastic buckling used as an energy absorber,” ASME, Journal of Applied Mechanics, vol.74, pp. 628-635
8) Abdul-Latif, A. and Baleh, R., 2008, “Dynamic biaxial plastic buckling of circular shells,” ASME, Journal of Applied Mechanics, vol. 75, issue 3, 031013
9) Drusin, N., Mahapatra, R., Abdul-Latif, A., Baleh, R., Wilhelm, C., Stoyanov, P., and Es-Said, O.S., 2008, “Microstructure Analysis of Aluminum Alloy and Copper Alloy Circular Shells after Multiaxial Plastic Buckling,” ASM, Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 17, pp.755–766
10) Abdul-Latif, A., 2011, “Experimental Comparison of Several Energy Absorbing Devices,” ASM, Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 20, pp. 1392-1400
11) Abdul-Latif A., 2014, "Système d’absorption d’énergie à organe en composite métallique déformable plastiquement," No. BT 890/1400843-délivré à l’INPI, France
12) Menouer A., Baleh R., Djebbar A. and Abdul-Latif A., 2014, “New generation of energy dissipating systems based on biaxial buckling,” Journal of Thin-Walled Structures, vol. 85, pp. 456-465
13) Abdul-Latif A., Ahmed-Ali A., Baleh R., and Ould Ouali M., 2017, “Innovative solution for strength enhancement of metallic like-composite tubular structures axially crushed used as energy dissipating devices,” Journal of Thin-Walled Structures, 119, pp. 332–344
14) Baleh R., Abdul–Latif A., Menouer A., Razafindramary D., 2018, “New experimental investigation of non-conventional dynamic biaxial plastic buckling of square aluminum tubular structures,” International Journal of Impact Engineering, 122, pp. 333-345
15) Habte H. S., Abdul-Latif A., 2020, “Finite element modeling of non-conventional energy dissipating systems using metallic like-composite tubular structures,” International Journal of Impact Engineering, 139, 103511.
Thèses
1) Baleh R., 2004, "Flambage Plastique Quasi-statique et Dynamique de Structures Tubulaires Métalliques sous Sollicitations Simple et Complexe -Système d’absorption d’énergie- via un Nouveau Dispositif Expérimental," thèse, École doctorale de l’Université de Technologie de Troyes
2) Menouer A., 2018, “Effet de triaxialité du Chargement sur la Capacité Dissipatrice d’un Système d’Absorption d’Énergie Tubulaire,” Thèse en collaboration, Université de Tizi-Ouzou, Algérie
3) SAHLE HABTE H., 2019, “Finite element modeling of axially crushed metallic like-composite tubular structures under quasi-static and dynamic loading regimes used as energy dissipating devices,” Ecole doctorale, Université de Cergy-Pontoise
4) Abdellah AHMED ALI A., “Flambage plastique d’un système tubulaire en composite métallique comme système d’absorption d’énergie sous différentes vitesses de sollicitations quasi-statique et dynamique,” Université de Tizi-Ouzou, Algérie (thèse pas encore soutenue)
Actes publiés de conférences internationales, congrès et colloques
1) Nesnas, K. and Abdul-Latif, A., 1997, “Modeling of Large Deformation of Cylinders under Transverse Loading,” Physics and Mechanics of Finite Plastic & Viscoplastic Deformation, pp. 435, ed. by Akhtar S. Khan, Neat Press (Maryland)
2) Abdul-Latif, A. and Nesnas, K., 1999, “On the Large Deformation of Cylinders with Constrained Sides Condition,” Constitutive and Damage Modeling of Inelastic Deformation and Phase Transformation, pp.685, Ed. by Akhter S. Khan, Neat Press (Maryland)
3) Abdul-Latif, A., 2002, “Comparative Study of Several Energy Dissipating Devices,” CSM3 3ème Congrès sur les matériaux, 16-18 Mai, Beyrouth (Liban).
4) Baleh, R., et Abdul-Latif, A., 2003, “Sur l’effet de rochet multiaxial,” CNRIUT 2003, 15-16 mai 2003, (Tarbes).
5) Baleh, R., Abdul-Latif, A., et Aboura, Z., 2003, “Grande déformation de structures tubulaires : systèmes d’absorption d’énergie,” CNRIUT 2003, 15-16 mai 2003, (Tarbes)
6) Baleh, R., Abdul-Latif, A., and Aboura, Z., 2003, “Plastic flow and its influence on the absorbed energy during the axial collapse of tubes,” Plasticity 2003, January 3-9, (Quebec)
7) Baleh, R., Abdul-Latif, A. et Aboura, Z., 2003, “Etude Expérimentale sur un Système d’Absorption d’Energie par Ecrasement Axial,” 16ème Congres Français de Mécanique, 1-5 Sept., Nice.
8) Baleh, R., Abdul-Latif, A., et Aboura, Z., 2005, “Comportement dynamique de tube écrasé axialement,” 17ème Congres Français de Mécanique, 29 août-2 Sept., Troyes.
9) Baleh, R., Abdul-Latif, A., et Aboura, Z., 2006, “Energy absorption improvement via sub-divided tubes under Uniaxial Dynamic loading,” Second International Conference on Engineering Failure Analysis (ICEFA II), 13 – 15 September 200, Toronto, (Canada)
10) Baleh, R., Aboura, Z., Abdul-Latif, A. et D., Razafindramary, 2007, “Ecoulement Plastique et Dissipation d’Energie sous Chargement Dynamique,” CNRIUT 2007, 31 mai-1er juin (Thionville-Yutz).
11) Abdul-Latif, A. and Baleh, R., 2008, “A new concept of dynamic biaxial plastic crushing of metallic thin-walled tubes,” 22th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM2008), August 24–30 (Adelaide, Australia).
12) Abdul-Latif, A., et Baleh, R., 2010, “Sur le concept des systèmes d’absorption d’énergie et sa dernière innovation,” (Conférence Plénière), Les 7èmes Journées de Mécanique JM’EMP07, 12-13 Avril, (Alger).
13) Ishell, A., Abdul-Latif, A., Baleh, R., and Haboussi, M., 2011, “Dynamic biaxial plastic buckling of stainless-steel thin tubes,” COMPDYN 2011 3rd International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, 25-28 May 2011, Corfu (Greece)
14) Abdul-Latif, A. and Baleh, R., and Isheil, A., 2012, “Strain Rate and loading Complexity Effect on the Crushed Stainless-Steel Tubes Behavior,” 23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM 2012), August 19 -24, 2012 (Pékin).
15) Lounis D., Baleh R., Menouer A., Abdul-Latif A., 2014, “New generation of energy dissipating systems based on biaxial buckling for improving vehicular crashworthiness”, Railways 2014, The Second International Conference on Railway Technology : Research, Development and Maintenance, 8-11 April 2014, Ajaccio (France)
17) Abdul-Latif A., Ahmed-Ali A., Baleh R., Razafindramary D., 2016, “New concept of passive energy dissipating energy based on plastic buckling,” ICTAM 2016, 21-26 August 2016, Montreal, Canada
18) Baleh R., Menouer A., Razafindramary, D., and Abdul-Latif A., 2017, “Ecoulement énergétique sous flambage dynamique multiaxial,” CAM 2017, 26 -30 Novembre, Algérie (Constantine).
19) Haileleoul Sahle HABTE, Abdul–Latif A., 2019, “New numerical approach for enhancing non-conventional energy absorbing capacity of plastically buckled tubular structure,” ECHT-2019 Conference, 5-7 June 2019 Bardolino (Italy).
20) Habte H. S., and Abdul–Latif A., 2020, “Numerical Investigation of New Non-Conventional Energy Dissipating Systems and Their Applications,” Transport Research Conference (2020 TRB) Annual Meeting, January 12-16, (Washington, D.C.).
21) Abdul-Latif A., and Habte H.S., 2020, “New plastic buckling response of non-conventional tubular structures,” ICTAM 2020, 23-28 August 2020, Milano, Italy
22) Abdul-Latif A. and Habte H. S., 2020, “Plastic buckling resistance of non-conventional tubular structures,” Engineering Mechanics Institute Conference 2020 (EMI 2020) and the Probabilistic Mechanics & Reliability Conference 2020 (PMC 2020), 26-29 May, 2020 (New-York)
Puisque les modes de déformation et le mécanisme de rupture sous chargements multiaxiaux sont loin d’être maîtrisés, ainsi, un travail récemment réalisé par notre équipe est sur des mousses en aluminium à cellules ouvertes soumises à une sollicitation multiaxiale. Cette idée originale consiste à créer différentes complexités de chargement biaxial combiné de compression-torsion via l’ACTP (voir Fig.1). L’effet de la mousse densité et de complexité du chargement sur son comportement mécanique sera étudié sur plusieurs porosités. Cette idée a fait l’objet d’un projet présentée à Cumpas France dans le programme (France-Ethiopie). Deux doctorants (HULUKA et ISMAEL) ont été recrutés et ont déjà entamé leurs thèses en 2020 financées donc par Cumpas France. La première thèse est de nature purement expérimentale où différentes mousses d’aluminium sont étudiées ; tandis que l’autre consiste à modéliser les comportements des mêmes mousses déjà étudiées par la première thèse via les éléments finis.
(a) Conception virtuelle et (b) photo réelle de l’assemblage final de l’ACTP et la mousse d’aluminum
Fig.1 (a) Conception virtuelle et (b) photo réelle de l’assemblage final de l’ACTP et la mousse d’aluminum
Référence :
1) Abdul–Latif A., Menouer A., Baleh R., and Deiab I.M., 2021, “Plastic response of open cell aluminum foams of highly uniform architecture under different quasi-static combined biaxial compression-torsion loading paths,” Materials Science and Engineering B, 266, 115051
Thèses
1) M. Hairedin ISMAEL 2020-
Sujet : Modélisation numérique par éléments finis d’une nouvelle génération des mousses métalliques avancées. Ecole doctorale, université de Cergy-Pontoise (Thèse financée par Campus France)
2) M. Solomon Bayu HULUKA S., 2020-
Sujet : Etude expérimentale sur une nouvelle génération des mousses en aluminum avancées. Ecole doctorale, université de Cergy-Pontoise
Colloque Assemblages mécaniques : Colloque bi-annuel organisé pour échanger entre industriels et académiques autour des problématiques d’assemblages mécaniques (boulonné, soudé, collé, …). Cet évènement réunit environ 100 personnes à Supméca.
JIFT 2017 : Journées Internationales Francophones de Tribologie, congrès annuel réunissant 80 à 100 participants autour des développements récents en tribologie. L’organisation de cet évènement est tournant (laboratoires et organismes de recherche). Actes des journées.
Les membres du thème mettent régulièrement leur expertise au service des communautés acadmique et industrielle au travers de différentes actions :
Review d’articles scientifiques
Expertise de demandes de bourses Cifre auprès de l’ANRT
Expertise de projets ANR
Expertise de projets scientifiques pour l’ADEME
Par ailleurs, grâce aux moyens d’essais et de caractérisation disponibles au laboratoire, le thème accompagne ses partenaires industriels dans l’expertise de situations problématiques. Cette démarche permet de mieux maîtriser la fonctionnalité des interface ou leur durée de vie ainsi que de mieux connaitre le comportement des matériaux utilisés.
Plasticity & Damage : modeling and experiment for conventional, ultrafine grained and nanocrystalline metals
Non-conventional energy dissipating systems
Multi-functional material foams
