Nouvelle approche de la modélisation des matériaux composites sous sollicitations mécaniques et thermiques extrêmes

New approach to composite materials modeling under extreme mechanical and thermal loads

• Auteur / Autrice : Samir Suljević
• Direction : Adnan Ibrahimbegovic, Samir Dolarević
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 27/06/2023
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Univerzitet u Sarajevu
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mécanique, énergie et électricité

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Méthodes d'éléments finis mixtes

Éléments finis, Méthode des

Estimation de paramètres

Analyse multiéchelle

Conservation de l'énergie

Espaces vectoriels

Thermoélasticité

Plasticité

Cisaillement (mécanique)

Contraintes (mécanique)

Rupture, Mécanique de la

Béton armé

Béton

Composites

Mots clés libres

Matériaux composites

Description de la fissure

Mécanisme de rupture

Thermomécanique couplée

Identification des paramètres

Schéma d’intégration préservant l’énergie

Approximations discrètes hybrides contrainte-flux thermique

Espace vectoriel de Raviart-Thomas

Rupture localisée

Approche multi-échelle

Composite materials

Concrete

Crack description

Fracture mechanism

Coupled thermomechanics

Parameter identification

Time-stepping energy-conserving integration scheme

Hybrid stress-heat flux discrete approximations

Raviart-Thomas vector space

Localized failure

Multi-scale approach

Reinforced concrete

Finite element method

Plasticity

Résumé

Dans cette thèse, une nouvelle approche pour résoudre des problèmes mécaniques et thermo-mécaniques est présentée. Cette approche repose sur l'introduction d'éléments hybrides utilisant des éléments finis de type triangle et tétraèdre améliorés qui démontrent des performances élevées en statique, en dynamique, ainsi que dans des scénarios de transfert de chaleur stationnaires et non stationnaires. De cette manière, un cadre optimisé pour fournir une grande précision dans les contraintes et le flux thermique a été créé en imposant la continuité aux limites des éléments grâce à une interpolation de type Raviart-Thomas pour les composantes du vecteur de contrainte et les composantes du flux thermique. Cette continuité revêt une importance cruciale en dynamique pour prévenir les sauts indésirables de contraintes et de flux thermique, susceptibles de compromettre la propagation fluide des ondes. L'approche de conservation d'énergie garantit la stabilité des calculs numériques, la rendant adaptée aux simulations thermo-mécaniques prolongées, comme confirmé par une série d'exemples numériques. La dernière partie de la thèse traite d'une procédure d'identification des paramètres d'un modèle de plasticité capable de décrire les mécanismes de rupture des structures en béton. L'identification des paramètres est réalisée en se basant à la fois sur des mesures expérimentales et sur les résultats numériques issus d'un modèle multi-échelle. La procédure proposée est exécutée séquentiellement pour les phases élastiques, de durcissement et d'adoucissement, aboutissant à un processus d’identification computationnellement efficace.

In this thesis, a novel approach to solving mechanical and thermo-mechanical problems is presented. This approach is based on the introduction of hybrid elements using enhanced triangle and tetrahedron finite elements that demonstrate high performance in statics, dynamics, as well as both stationary and non-stationary heat transfer scenarios.In this manner, a framework optimized for delivering high accuracy in stresses and heat flux has been created by imposing continuity on the element boundaries through Raviart-Thomas type interpolation for stress vector components and heat flux components. This continuity is crucial in dynamics to prevent undesirable stress and heat flux jumps, which can compromise smooth wave propagation. The energy-conserving approach ensures the stability of numerical computations, making it suitable for longer thermo-mechanical simulations, as confirmed by a series of numerical examples.The final part of the thesis deals with a procedure for parameter identification of a plasticity model capable of describing the fracture mechanisms of concrete structures. Parameter identification is carried out based on both experimental measurements and numerical results from a multi-scale model. The proposed procedure is executed sequentially for the elastic, hardening, and softening phases, resulting in a computationally efficient identification process.