Modélisation éléments finis de structures minces intelligentes par des éléments finis solide-coque linéaires et quadratiques

par Nabeel Younas

Projet de thèse en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Farid Abed-meraim et de Hocine Chalal.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur , en partenariat avec LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (laboratoire) et de Paris, ENSAM (établissement de préparation de la thèse) depuis le 16-10-2018 .


  • Résumé

    L'objectif de la présente thèse est de développer des éléments finis solide-coque pour la modélisation de structures minces ayant des lois de comportement complexes. Le concept d'élément fini solide-coque consiste en un élément fini tridimensionnel amélioré à intégration réduite et à des traitements spéciaux pour éliminer les phénomènes de verrouillage. Les éléments solide-coque sont capables de modéliser la plupart des problèmes structurels 3D minces avec une seule couche d'éléments, tout en décrivant avec précision les différents phénomènes dans l''épaisseur. Dans des travaux récents, une famille d'éléments finis solide-coque prismatique et hexaédrique (SHB), avec leurs versions linéaires et quadratiques, a été développée dans le cadre du comportement purement mécanique ainsi que du couplage électromécanique. Les éléments SHB résultants ont été implémentés dans le logiciel ABAQUS et appliqués à la simulation de problèmes non-linéaires en dynamique, de procédés en mise en forme des tôles minces, et de structures composites formées de couches élastiques, visco-élastiques et piézoélectriques. L'objectif de cette thèse est de poursuivre les travaux précédents sur les éléments SHB en les étendant à la simulation de problèmes plus complexes, impliquant des non-linéarités sévères (par exemple, grands déplacements et et grandes rotation, des lois de comportement non linéaires complexe, etc.). Dans ce contexte, des modèles de comportement de matériaux élastique-plastiques basés sur des fonctions de charge anisotropes non quadratiques (spécifiques aux alliages d'aluminium) seront combinés aux éléments SHB afin de permettre un large éventail d'applications industrielles. De plus, pour les versions piézoélectriques des éléments SHB, des lois piézoélectriques plus avancées seront implantées. En outre, la formulation des éléments SHB sera étendue aux matériaux intelligents et aux matériaux piézoélectriques intelligents, pour lesquels les propriétés du matériau changent progressivement dans le sens de l'épaisseur.

  • Titre traduit

    Finite element modeling of smart thin structures using linear and quadratic solid-shell elements


  • Résumé

    The purpose of the present PhD thesis is to develop solid-shell finite elements for the modeling of thin structures having complex constitutive laws. The concept of solid-shell finite element consists of an enhanced three-dimensional finite element with reduced integration and special treatments to eliminate the locking phenomena. Solid‒shell elements are capable of modeling most thin 3D structural problems with only a single element layer, while accurately describing the various through-thickness phenomena. In recent works, a family of prismatic and hexahedral solid‒shell (SHB) elements, with their linear and quadratic versions, has been developed in our research team in the framework of purely mechanical behavior as well as of electromechanical coupling. The resulting SHB elements have been implemented into ABAQUS software and applied to the simulation of nonlinear dynamic impact/crash problems, sheet metal forming processes, and multilayer structures composed of elastic, viscoelastic and piezoelectric layers. The objective of this PhD thesis is to pursue the previous works on the SHB elements by extending them to the simulation of more complex problems, involving severe combined nonlinearities (e.g., large displacements and rotations, large strains, nonlinear constitutive laws). In this context, more advanced material behavior models, such as constitutive equations based on non-quadratic anisotropic yield functions that are more suitable to aluminum alloys, will be combined with the SHB elements in order to allow a broad range of industrial applications. Moreover, for the piezoelectric versions of the SHB elements, more advanced piezoelectric laws will be investigated and implemented. In addition, the formulation of the SHB elements will be extended to Functionally Graded Materials (FGM) and Functionally Graded Piezoelectric Materials (FGPM), for which the material properties change gradually along the thickness direction.