Contribution to the multiscale modeling of composite materials
Contribution à la modélisation multi-échelle des matériaux composites
Résumé
We propose in this thesis several approaches for improving the multiscale modeling and simulation of composites’ behavior. Accurate and reliable modeling of the mechanical response of composite materials remains a major challenge. The objective of this work is to develop simplified methodologies based on existing homogenization techniques (numerical and analytical) for efficient prediction of nonlinear behavior of these materials. First choice has been focused on the Mean-field homogenization methods to study the elasto-plastic behavior and ductile damage phenomena in composites. Although restrictive, these techniques remain the best in terms of computational cost and efficiency. Two methods were investigated for this purpose: the Incremental Scheme Micromechanics (IMS) in One-site modeling and the Mori-Tanaka model in multi-site modeling (MTMS). In the framework of elastoplasticity, we have shown and validated by finite element method that the IMS homogenization results are more accurate, when dealing with high volume fraction composites, than the Mori-Tanaka model, frequently used in the literature. Furthermore, we have extended the Mori-Tanaka's model (MT) generally formulated in One-site to the multi-site formulation for the study of elasto-plastic behavior of composites with ordered microstructure. This approach shows that the multi-site formulation produces consistent results with respect to finite element and experimental solutions. In the continuation of our research, the Lemaître-Chaboche ductile damage model has been included to the study of elasto-plastic behavior in composite through the IMS homogenization. This latest investigation demonstrates the capability of the IMS model to capture damage effects in the material. However, the issue on the loss of ellipticity was not addressed. Finally we develop a numerical homogenization tool based on computational homogenization. This novel numerical tool works with 2D and 3D structure and is fully integrated in the conventional finite element code ABAQUS through its subroutine UMAT. The (FE2) method offers the advantage of being extremely accurate and allows the handling of more complex physics and geometrical nonlinearities. Linear and non-linear cases were studied. In addition, its combination with ABAQUS allows the use of major resources provided by this software (a panel of toolbox for various mechanical, thermomechanical and electrical analysis) for the study of multi-physics problems. This work was validated in the linear case on a two-scale analysis in bending and compared to the multi-scale method ANM (Nezamabadi et al. (2009)). Extensive work will be needed later with applications on non-linear problems to highlight the value of the developed tool
Nous proposons dans cette thèse diverses approches, pour l'amélioration de la modélisation et la simulation multi-échelle du comportement des matériaux composites. La modélisation précise et fiable de la réponse mécanique des matériaux composite demeure un défi majeur. L'objectif de ce travail est de développer des méthodologies simplifiées et basées sur des techniques d'homogénéisation existantes (numériques et analytiques) pour une prédiction efficiente du comportement non-linéaire de ces matériaux. Dans un premier temps un choix à été porté sur les techniques d'homogénéisation par champs moyens pour étudier le comportement élastoplastique et les phénomènes d'endommagement ductile dans les composites. Bien que restrictives, ces techniques demeurent les meilleures en termes de coût de calcul et d'efficacité. Deux méthodes ont été investiguées à cet effet: le Schéma Incrémental Micromécanique (SIM) en modélisation mono-site et le modèle Mori-Tanaka en modélisation multi-site (MTMS). Dans le cas d'étude du comportement élastoplastique, nous avons d'une part montré et validé par la méthode des éléments finis que la technique d'homogénéisation SIM donne un résultat plus précis de la modélisation des composites à fraction volumique élevée que celle de Mori-Tanaka, fréquemment utilisée dans la littérature. D'autre part nous avons étendu le modèle de Mori-Tanaka (M-T) généralement formulé en mono-site à la formulation en multi-site pour l'étude du comportement élastoplastique des composites à microstructure ordonnée. Cette approche montre que la formulation en multi-site produit des résultats concordants avec les solutions éléments finis et expérimentales. Dans la suite de nos travaux, le modèle d'endommagement ductile de Lemaître-Chaboche a été intégré à la modélisation du comportement élastoplastique dans les composites dans une modélisation multi-échelle basée sur le SIM. Cette dernière étude révèle la capacité du modèle SIM à capter les effets d'endommagement dans le matériau. Cependant, la question relative à la perte d'ellipticité n'a pas été abordée. Pour finir nous développons un outil d'homogénéisation numérique basé sur la méthode d'éléments finis multi-échelles (EF2) en 2D et 3D que nous introduisons dans le logiciel conventionnel ABAQUS via sa subroutine UMAT. Cette méthode (EF2) offre de nombreux avantages tels que la prise en compte de la non-linéarité du comportement et de l'évolution de la microstructure soumise à des conditions de chargement complexes. Les cas linéaires et non-linéaires ont été étudiés. L'avantage de cette démarche originale est la possibilité d'utilisation de toutes les ressources fournies par ce logiciel (un panel d'outils d'analyse ainsi qu'une librairie composée de divers comportements mécaniques, thermomécaniques ou électriques etc.) pour l'étude de problèmes multi-physiques. Ce travail a été validé dans le cas linéaire sur un exemple simple de poutre en flexion et comparé à la méthode multi-échelle ANM (Nezamabadi et al. (2009)). Un travail approfondi sera nécessaire ultérieurement avec des applications sur des problèmes non-linaires mettant en évidence la valeur de l'outil ainsi développé