L'UE Matériaux : 4

PARTIE : Jean-Luc Hanus (6h40 CM + 5h20 TD)

Objectifs pédagogiques :

L’objectif de ce cours est de donner aux élèves les bases théoriques nécessaires à l’ingénieur pour la conception et le dimensionnement de structures comportant des matériaux pouvant avoir une réponse non linéaire. Un tour d’horizon à l’échelle macroscopique des principaux comportements des matériaux solides rencontrés par l’ingénieur est réalisé et les bases de modélisation de ces différents comportements non linéaires irréversibles sont apportées.

PARTIE : Denis Rochais (Ingénierie numérique des matériaux : une nouvelle stratégie pour concevoir et élaborer des matériaux optimisés) (4h CM)

L’objectif de ce cours est d’introduire la démarche d’ingénierie numérique des matériaux, développée depuis 20 ans au CEA Le Ripault, pour la conception de matériaux innovants pour des applications à hautes températures.

PARTIE : Thierry Piquero (2h CM)

Introduction à la fabrication additive et à la mécanique des matériaux composites.

PARTIE : Stéphane Villalonga (2h CM)

Connaissances des technologies de l’hydrogène énergie pour la mobilité.

PARTIE : Jean-Luc Hanus

• Contexte sur l’utilisation de lois de comportement en calcul de structures, sur les différentes échelles de modélisation et sur les différences entre comportement local et réponse globale ;
• Introduction aux outils de la modélisation ;
• Modèles les plus courants en élastoplasticité ;
• Approches de construction de modèles avec sensibilité à la vitesse ;
• Endommagement scalaire.

PARTIE : Denis Rochais

Après une présentation des domaines d’application visés, je développe le principe de cette démarche multidisciplinaire qui s’appuie sur la capacité de moyens expérimentaux (tomographie par rayons X, FIB/MEB…) capables de décrire en 3D l’organisation de la matière sur des volumes statistiquement représentatifs de milieux hétérogènes (composites, céramiques…). Ces images 3D une fois traitées permettent de réaliser des expériences numériques sur des représentations virtuelles pour calculer non seulement leurs propriétés physiques, mais aussi leur comportement sous sollicitation.

J’insiste sur le fait que la pertinence de ces calculs repose sur la connaissance des propriétés des constituants de base de ces milieux hétérogènes et je détaille des dispositifs de caractérisation de propriétés thermiques à différentes échelles (du µm au mm), qui s’appuient sur l’interaction laser/matière. J’évoque l’existence de dispositifs mécaniques sans vraiment les détailler (NB : j’ai opté pour la thermique car souvent moins connue). Je décris ensuite les codes de calcul dédiés (thermique et mécanique) qui nous permettent de réaliser nos simulations. Ces derniers, associés à des outils de génération de structure virtuelle, ouvrent la voie à la conception de matériaux optimisés numériquement via la nature de leurs constituants et la topologie de leur microstructure, afin que leurs performances répondent le plus précisément possible à un besoin spécifique (cahier des charges).

Reste à pouvoir réaliser ces nouveaux matériaux ! C’est dans ce contexte que la fabrication additive apporte une solution, en offrant la possibilité de les réaliser dans une mise en forme adaptée à leur utilisation finale, ce que sont parfois incapables de faire les procédés de fabrication usuels. Pour l’illustrer, je finis donc par un exemple de l’application de cette démarche d’ingénierie numérique concernant l’optimisation des performances de structures céramiques innovantes pour récepteur volumique de centrales solaires thermodynamiques.

PARTIE : Thierry Piquero

La fabrication additive désigne l'ensemble des techniques d'impression 3D. L'objet y est créé par addition de matière, à l'inverse de la fabrication soustractive. Ce cours décrit les différents procédés et matériaux d'impression, les types d'imprimantes. Les droits d'auteurs et la gestion des risques sont succinctement abordés. On fournit quelques données technico-économiques et un certain nombre d'applications sont exposées.

Les matériaux composites à matrice céramique ont été développés pour des utilisations en conditions extrêmes : haute température, milieu oxydant, sous contrainte mécanique, voire sous irradiation. Bien que composés de céramiques, ces matériaux sont « défragilisés » afin d'éviter leur rupture catastrophique, ce qui a permis de les utiliser dans l'aéronautique, le spatial et maintenant dans l'industrie nucléaire. Ce cours aborde les différents constituants d'un CMC, quelques procédés d'élaboration et est illustré par des applications.

PARTIE : Stéphane Villalonga

Je présente les technologies de l’hydrogène énergie pour la mobilité:

• Restitution du contexte énergétique et climatique
• Présentation des ENR dont le vecteur énergétique H2
• Description des façons de produire de l’H2
• Présentation de l’ensemble des applications H2 pour différents segments (stationnaire, transport, mobilité)
• Rappel des risques autour de l H2
• Présentation du fonctionnement d’une pile à combustible
• Détail des réservoirs de stockage de l’hydrogène (matériaux, conception-calcul, procédé et fabrication des différentes parties des réservoirs, test et instrumentation des réservoirs, normes et réglementation, évaluation technico économique) souligne des challenges, les difficultés, les nouvelles tendance

Partie J.-L. Hanus (6h40 CM + 5h20 TD)

• Lemaitre J., Chaboche J.-L., Benallal A., Desmorat R., Mécanique des matériaux solides - 3ème édition, Dunod, 2009
• François D., Pineau A., Zaoui A., Comportement mécanique des matériaux, Vol. 1 : Élasticité et plasticité, et Vol. 2 : Viscoplasticité, endommagement, mécanique de la rupture et mécanique du contact, Hermès Lavoisier, 2009.
• Besson, J., Cailletaud, G, Chaboche, J.-L., Forest, S., Mécanique non-linéaire des matériaux, Hermès Lavoisier, 2001