Méthode d'homogénéisation pour l'optimisation topologique de structures composées de matériau lattice

Homogenization method for topology optmization of struc-tures built with lattice materials.

• Auteur / Autrice : Perle Geoffroy donders
• Direction : Grégoire Allaire, Olivier Pantz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : François Alouges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Pantz, Pierre Seppecher, François Jouve, Samuel Amstutz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martin P. Bendsøe, Eric Bonnetier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Science des matériaux

Optimisation mathématique

Équations aux dérivées partielles

Mathématiques

Mots clés libres

Homogénéisation

Matériau lattice

Fabrication additive

Optimisation topologique

Matéeriau cellulaire

Lattice material

Additive Fabrication

Homogeneization

Topology optimization

Cellular material

Résumé

Les développements récents des méthodes de fabrication additive permettent aujourd'hui d'envisager l'usinage de pièces à la topologie complexe, composées de microstructures. Ceci ranime l'intérêt pour les méthodes d'optimisation topologique par méthode d'homogénéisation, développées dans les années 80 et quelque peu oubliées par manque d'applications industrielles.L'objectif de cette thèse est de fournir des méthodes d'optimisation topologique pour des structures constituées de matériau lattice localement périodique, c'est-à-dire dont la microstructure est modulée au sein de la pièce.Trois phases ont été définies. La première consiste à calculer les propriétés élastiques homogénéisées de microstructures en fonction de paramètres définissant leur géométrie. Dans la seconde étape, on optimise la structure constituée de matériau homogénéisé selon les paramètres géométriques de la microstructure ainsi que son orientation. Une structure homogénéisée n'est pas usinable en l'état. En effet, l'homogénéisation revient à considérer que la taille des cellules la composant converge vers zéro. Dans une troisième étape, on propose donc de déshomogénéiser la structure optimisée, c'est-à-dire de construire une suite de structures convergeant vers elle. Pour cela, on introduit un difféomorphisme déformant une grille régulière de sorte que chaque cellule soit orientée selon l'orientation optimale.Nous présentons dans cette thèse les détails de cette méthode, pour des microstructures élastiques isotropes et orthotropes, en deux et en trois dimensions.Nous proposons également un couplage de cette méthode avec la méthode d'optimisation de forme par les lignes de niveau, ce qui permet notamment d'inclure des contraintes géométriques sur les structures finales.

Thanks to the recent developments of the additive manufacturing processes, structures built with modulated microstructures and featuring a complex topology are now manufacturable. This leads to a resurrection of the homogenization method for shape optimization, an approach developed in the 80’s but which progressively faded away because yielding too complex structures for manufacturing processes at this time.The goal of this thesis is to develop shape optimization methods for structures built with modulated locally periodic lattice microstructures.Three steps have been defined. The first consists in computing the homogenized, or effective, elastic properties of microstructures according to few parameters characterizing their geometry. In the second step, the geometric properties of the microstructure and its orientation are optimized in the working domain, yielding a homogenized optimized structure. Such a structure is nevertheless not straightforwardly manufacturable. Indeed, the homogenization is equivalent to have a structure featuring cells whose size is converging to zero. Hence, in the third and last step, a deshomogenization process is proposed. It consists in building a sequence of genuine structures converging to the homogenized optimal structures. The key point is to respect locally the orientation of the cells, which is performed thanks to a grid diffeomorphism.In this thesis, we present the details of the whole method, for isotropic and orthotropic microstructures, in 2D and in 3D.A coupling of this method with the level-set shape optimization method is also presented, thanks which the set of geometric constraints on the final structures may be enlarged.