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

Behaviour of additively manufactured metallic structures under blast loading

• Auteur / Autrice : Magda Stańczak
• Direction : Marion Martiny-Weitig, Teresa Frąś, Alexis Rusinek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 25/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Jerzy Małachowski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Martiny-Weitig, Teresa Frąś, Alexis Rusinek, Dirk Mohr, Piotr Krzysztof Pawłowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jerzy Małachowski, Dirk Mohr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse élastique (ingénierie)

Éléments finis, Méthode des

Transfert d'énergie

Structure cellulaire (physique)

Alliages aluminium-magnésium-silicium

Impression 3D

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Méthode DMSL

AlSi10Mg

Structures cellulaires

Absorption d'énergie

Calculs par éléments finis

Additive manufacturing

DMSL method

AlSi10Mg

Cellular materials

Energy absorption

Finite element methods

Résumé

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.

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 deformationresponses 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.