Optimisation topologique en dynamique des structures : vibrations, résistance à la rupture et incertitudes

Topology optimization in structural dynamics : vibrations, fracture resistance and uncertainties

• Auteur / Autrice : Yi Wu
• Direction : Julien Yvonnet, Hé Zhicheng
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 15/06/2022
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Université du Hunan (Changsha, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) - Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Qihong Fang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Yvonnet, Piotr Breitkopf, Liang Xia, Eric Li
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Piotr Breitkopf, Liang Xia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Dynamique

Densité

Analyse mécanique dynamique

Résistance des matériaux

Vibrations

Mots clés libres

Optimisation topologique

Dynamique des structures

Vibration

Résistance à la rupture

Incertitudes

Méthode de champ de phase

Topology optimization

Structural dynamics

Vibration

Fracture resistance

Uncertainty

Phase field method

Résumé

L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes d'optimisation topologiques basées sur la densité pour plusieurs problèmes difficiles de structure en dynamique. Premièrement, nous proposons une stratégie de normalisation en élasto-dynamique en vue d'obtenir une distribution optimale de matériau dans la structure qui réduit la réponse aux excitations dynamiques en fréquence et améliore la stabilité numérique dans la méthode BESO (bi-directional evolutionary structural optimisation). Ensuite, pour décrire les incertitudes de paramètres pouvant intervenir dans des problèmes réalistes en ingénierie, un modèle d'incertitudes à intervalle hybride est développé pour prendre en compte les incertitudes dans le problème d'optimisation en dynamique. Une méthode de perturbation est développée pour une optimisation topologique robuste vis-à-vis des incertitudes et permettant des gains de temps de calculs importants. De plus, nous introduisons un modèle d'incertitude de champ d'intervalle dans ce cadre. L'approche est appliquée à l'optimisation topologique des structures mono-matériaux, composites et multi-échelles. Enfin, nous développons un cadre d'optimisation topologique pour la résistance des structures à la fissuration quasi-fragile dans un cadre dynamique, par combinaison avec la méthode de champs de phase. Ce cadre est étendu à la conception de structures résistantes à des impacts. Contrairement aux approches basées sur les contraintes, la totalité de la propagation des fissures est prise en compte dans le processus d'optimisation

The objective of this thesis is to develop density based-topology optimization methods for several challenging dynamic structural problems. First, we propose a normalization strategy for elastodynamics to obtain optimized material distributions of the structures that reduces frequency response and improves the numerical stabilities of the bi-directional evolutionary structural optimization (BESO). Then, to take into account uncertainties in practical engineering problems, a hybrid interval uncertainty model is employed to efficiently model uncertainties in dynamic structural optimization. A perturbation method is developed to implement an uncertainty-insensitive robust dynamic topology optimization in a form that greatly reduces the computational costs. In addition, we introduce a model of interval field uncertainty into dynamic topology optimization. The approach is applied to single material, composites and multi-scale structures topology optimization. Finally, we develop a topology optimization for dynamic brittle fracture structural resistance, by combining topology optimization with dynamic phase field fracture simulations. This framework is extended to design impact-resistant structures. In contrast to stress-based approaches, the whole crack propagation is taken into account into the optimization process