Homogenization and shape optimization of architectured panels
Homogénéisation et optimisation topologique de panneaux architecturés
Résumé
The "material by design" strategy consists in tailoring architectured materials in order to fulfill multi-functional specifications. This PhD study focuses more specifically on designing architectured panels in regards with mechanical compliances (bending and transverse shear), as well as thermal conductivity. Recent advances on periodic homogenization of plates are integrated into a finite elements tool that enables to identify the Reissner-Mindlin effective compliance from the unit cell geometry. The comparison with four-point bending tests illustrates a discussion on the shear loading for homogenization, and its contribution to the global bending stiffness. In a context of architectured steel solutions for automotive, a parametric study is treated on "embossed" steel sheets using this homogenization tool. As a try to enlarge the space of available "architectures", a topological optimization algorithm (using the level-set method) is coupled to the homogenization procedure. The influence of each parameters of the method are studied on the optimization problem of compromising flexural and shear compliances. Finally, the industrial case of an insulation sandwich panel is treated. Few optimized geometries, with a high combination of shear stiffness and thermal insulation, are built, produced and tested. An improved design is highlighted and proposed as next version of this product.
La conception sur-mesure de matériaux architecturés à l'échelle du milli/centimètre est une stratégie pour développer des matériaux de structure plus performants vis-à-vis de cahiers des charges multifonctionels. Ce travail de thèse s'intéresse en particulier à la conception optimale de panneaux architecturés périodiques, dans le but de combiner des exigences mécaniques de flexion et de cisaillement, ainsi que de conductivité thermique. Le comportement élastique peut être prédit grâce à l'identification sur la cellule périodique des coefficients de la matrice des souplesses équivalente. Ces calculs d'homogénéisation ont été mis en oeuvre par éléments finis pour estimer en particulier les souplesses en flexion et en cisaillement transverse. Après validation expérimentale, cette méthode de calcul constitue un outil d'évaluation des performances mécaniques pour chaque géométrie de cellule périodique (2D ou 3D). À titre d'exemple, et dans un contexte de développement de solutions matériaux architecturés pour l'automobile, la conception de tôles "texturées" est proposée en menant une étude paramétrique à l'aide de cet outil. L'implémentation d'un algorithme d'optimisation topologique couplé à la procédure d'homogénéisation permet d'enrichir les méthodes de conception sur-mesure en élargissant l'espace de recherche des "architectures". Après l'étude modèle du compromis entre flexion et cisaillement, le cas industriel d'un panneau sandwich isolant est traité. Dans ce cas, l'optimisation fournit plusieurs compromis prometteurs entre rigidité en cisaillement et isolation thermique. Ces géométries ont été réalisées et testées, et une nouvelle version améliorée du panneau sandwich a été sélectionnée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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