Proposer des produits technologiques innovants passe souvent par des approches de simulation afin de doper notre capacité à évaluer des concepts originaux.
C’est notamment vrai en mécanique des matériaux, où un enjeu essentiel consiste à comprendre et exploiter les relations entre la microstructure des matériaux et leurs propriétés d’usage.
Une action de recherche sur ce thème a été initiée par IFPEN concernant le comportement mécanique des matériaux poreux à base lamellaire, tels que certains supports de catalyseur (et certains polymères). L’objectif est de disposer d’un outil de calcul permettant au final de dimensionner et de développer de tels matériaux, structurés à plusieurs échelles (du nanomètre au dixième de millimètre) et capables de résister à des sollicitations mécaniques.
La démarche s’est appuyée sur les capacités actuelles en calcul de structures, pour les adapter au calcul de microstructures à empilements lamellaires ou granulaires(1). Un workflow multi-échelle a été mis en place en s’appuyant sur deux outils : la plateforme plug im!ad’IFPEN pour la génération de microstructures, et le code de calcul commercial Abaqus™, apte à traiter efficacement les non-linéarités du comportement mécanique pour des gros systèmes. Les propriétés à l’échelle atomique qui alimentent le modèle ont été elles-mêmes estimées par des calculs de dynamique moléculaire.
Un enchaînement de méthodes numériques permet de franchir les différentes échelles de la structure du matériau. Cette démarche In Silicob a été validée pour la prédiction de la partie linéaire du comportement (propriétés élastiques) des supports à base alumine.
Le travail porte désormais sur la partie non linéaire du comportement (plasticité et rupture), laquelle conditionne les caractéristiques d’intérêt de ces matériaux en service. Dans ce cadre, un cap a été récemment franchi pour la simulation de la plasticité par la méthode des Éléments finis, grâce à l’amélioration des méthodes de maillage local.
La prochaine étape sera d’introduire des propriétés de cohésion/rupture sous la forme d’une approche locale par zones cohésivesc, couplée à des techniques de modélisation moléculaire.
a - https://www.plugim.fr/
b - Reposant sur des calculs complexes informatisés.
c - Méthode basée sur la mécanique de la rupture par fissuration et la mécanique de l'endommagement.
(1) V. Le Corre, N. Brusselle-Dupend, M. Moreaud, Numerical modeling of the effective ductile damage of macroporous alumina, Mechanics of Materials 114 (2017) 161–171. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.08.002
Contacts scientifiques : nadege.brusselle@ifpen.fr - vincent.le-corre@ifpen.fr