Recherche de microtreillis résilients inspirés d'analogues en plasticité cristalline

Search for resilient microtrusses inspired by analogues in cristalline plasticity

• Auteur / Autrice : Nicolas Lallemand
• Direction : Stéphane Berbenni, Justin Dirrenberger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 12/03/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux architecturés

Plasticité cristalline

Bande de localisation

Structure lattice

Algorithme génétique

Réseau de neurones en graphe

Architected materials

Crystal plasticity

Localization bands

Lattice structure

Genetic algorithm

Graph neural network

Résumé

Les matériaux architecturés issus de procédés innovants par fabrication additive, constitués d'arrangements tridimensionnels de réseaux périodiques de micropoutres connectées entre elles par des nœuds, forment des structures dites « lattices » qui sont de très bons candidats à l'allègement des structures. Les modules élastiques et les coefficients de Poisson de ces structures peuvent être optimisés en jouant sur l'arrangement du réseau périodique. Cependant, au-delà du comportement élastique, leur comportement mécanique devient en général instable avec une chute brutale des contraintes. Ce phénomène est dû à l'apparition précoce de bandes de localisation qui entraîne des effondrements de leur structure à des niveaux de déformations relativement faibles. Récemment, des premiers travaux publiés à l'échelle internationale ont proposé de retarder cet effondrement généralisé grâce à des « méta-structures » constituées de plusieurs arrangements de lattices. Une analogie est faite entre les interactions des glissements cristallographique avec les joints de grains et les interactions des bandes d'effondrement dans les structures lattices avec les interfaces entre différentes orientations de lattices. La présence de ces interfaces permet notamment de retarder l'effondrement global de la structure. L'analogie reste cependant très phénoménologique. Ce travail de thèse se propose donc d'utiliser les connaissances en plasticité cristalline, notamment les concepts de bi-cristallographie, pour guider la fabrication de nouvelles structures architecturées composées de « méta-grains » dont la distribution est optimisée pour limiter la propagation des bandes de localisation. L'optimisation se base sur des méthodes d'algorithmes génétiques et de prédictions issues de réseaux de neurones, informées par des modèles de plasticité cristalline.

Architected materials derived from innovative additive manufacturing processes, consisting of three-dimensional arrangements of periodic arrays of micro-trusses connected to each other by nodes, form so-called ''lattice'' structures, are very good candidates for lightweight structures. The elastic moduli and Poisson's ratios of these structures can be optimized by adjusting the arrangement of the periodic lattice. However, beyond their elastic behavior, their mechanical behavior generally becomes unstable, with a sudden drop in stress due to the early appearance of localization bands, leading to structural collapse at relatively low strain levels. Recently, initial work published internationally has proposed delaying this generalized collapse by means of ''meta-structures'' made up of several lattice arrangements. An analogy is made in between the interaction between crystallographic slips and grain boundaries and the interaction between the collapse bands in lattice structures and the interfaces between different lattice orientations. In particular, the presence of these interfaces delays the overall collapse of the structure. However, the analogy remains highly phenomenological. This present work aims therefore at using the knowledge of crystal plasticity, in particular the concept of bi-crystallinity, to guide the fabrication of new lattice structures composed of “meta-grains” whose distribution is optimized to hinder the propagation of localization bands. Optimization is based on genetic algorithm methods and neural network predictions informed by crystal plasticity models.