Comportement des structures métalliques fabriquées par le biais d'un procédé additif contre les menaces de type explosif

by Magda Stanczak

Doctoral thesis in Science des Matériaux

Under the supervision of Marion Martiny, Teresa Fras and Alexis Rusinek.

Ongoing thesis at Université de Lorraine , under the authority of C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE , in a partnership with LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Behaviour of additively manufactured metallic structures under blast loading


  • Abstract

    The additive manufacturing technique allows for studies of metallic structures with complex geometry at a laboratory scale. The application of novel structures can be especially beneficial for improving the capacity of energy absorption and blast mitigation. In the presented thesis, the role of the topology of additively manufactured AlSi10Mg aluminum structures of several exemplary cellular structures (i.e., honeycomb, auxetic, lattice, and foam) is studied at static and blast compression. Furthermore, the relationship between the relative density and the deformation responses of the structures, as well as the energy absorption capacities is analyzed. To investigate the influence of the manufacturing process conditions on the mechanical properties, the material behavior of the printed AlSi10Mg aluminum alloy is studied. For completeness, an analysis of the deformed microstructure is also conducted. The obtained results prove the complexity of the material behavior. Therefore, a phenomenological model based on the modified Johnson-Cook approach is proposed. The developed model describes the obtained characteristics of the printed alloy with much better accuracy than the classical constitutive function. The finite element simulations conducted in LS-DYNA software are used to investigate the deformation mechanisms of the structures in detail. The results are consistent with the analytical calculations and the experimental observations. The final responses indicate that by selecting the appropriate topological parameters, it is possible to affect the performance of structures significantly and thus to improve their energy absorption properties. The resulting experiments and their modeling show that the discussed material and the manufacturing technology have a promising potential.


  • Abstract

    La technique de fabrication additive permet d'étudier à l'échelle du laboratoire des structures métalliques à géométrie complexe. L'application de nouvelles structures peut être particulièrement bénéfique pour améliorer la capacité d'absorption d'énergie et d'atténuation des explosions. Dans cette thèse, le rôle de la topologie des structures en aluminium AlSi10Mg fabriquées de manière additive est étudiée. Plusieurs exemplaires de structures cellulaires sont présentées. On analysera la relation entre la densité relative et les réponses de déformation des structures, ainsi que les capacités d'absorption. Le comportement de l'alliage d'aluminium AlSi10Mg imprimé est étudié afin d'étudier l'influence des conditions du processus de fabrication sur les propriétés mécaniques. Pour compléter l'étude, une analyse de la microstructure déformée est également effectuée. Les résultats obtenus prouvent la complexité du comportement du matériau. Par conséquent, un modèle phénoménologique basé sur l'approche modifiée de Johnson-Cook est proposé. Le modèle développé décrit le comportement du matériau avec une bien meilleure précision que la fonction constitutive classique. Les simulations par éléments finis réalisées avec le logiciel LS-DYNA sont utilisées pour étudier en détail les mécanismes de déformation des structures. Les résultats montrent un bon accord avec les calculs analytiques et les observations expérimentales. Les réponses indiquent qu'en sélectionnant les paramètres topologiques appropriés, il est possible d'affecter significativement les performances des structures et ainsi d'améliorer leurs propriétés d'absorption d'énergie.