Phase field modeling of cracks in quasi-brittle and elastoplastic micro-structured materials : topology optimization, 3D printed materials and image-based models

Autor: Pengfei Li
Přispěvatelé: Laboratoire Modélisation et Simulation Multi-Echelle (MSME), Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Gustave Eiffel, Université Paris-Est, Julien Yvonnet, STAR, ABES
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université Paris-Est, 2020. English. ⟨NNT : 2020PESC2095⟩
Popis: The objective of this thesis is to develop numerical modeling and simulation techniques to describe the damage in quasi-brittle and elastoplastic composites, which can be obtained by additive manufacturing processes like 3D-printing. We develop phase field methods to fracture and propose several extensions and applications to composites. First, after validating available elastoplastic phase field models on experimental results, we extend these models to interfacial damage, which is central in composites. In a second part, we develop design methodologies for composite microstructures to increase the resistance to cracking, for quasi-brittle and elastoplastic composites. For this purpose, we combine the phase field method and topology optimization (SIMP and BESO techniques). Then, models are proposed to describe cracking in polymer-glass fiber composites obtained by 3D printing, and which are characterized by a strong anisotropy. For this purpose, we develop an original anisotropic elastoplastic phase field model for the macro scale. Finally, experimental images obtained by X-Ray micro tomography are used to model the complex cracking process at the microscale of the composites
Cette thèse a pour objectif de développer des méthodologies de modélisations numériques pour représenter l'endommagement dans les composites quasi-fragiles et élastoplastiques, possiblement obtenus par des procédés de fabrication additive comme l'impression 3D. Nous développons des approches de champ de phase pour modéliser la fissuration et proposons plusieurs nouvelles extensions et applications aux composites. Premièrement, après avoir validé des modèles de champs de phase élastoplastiques sur des résultats expérimentaux, nous étendons ces modèles à l'endommagement aux interfaces, qui est primordial dans les composites. Dans une deuxième partie, nous développons des méthodes de design des microstructures en vue de résister à la fracturation, pour des composites quasi-fragiles ou élastoplastiques. Pour cela, nous combinons la méthode de champ de phase avec des techniques de type optimisation topologique (BESO et SIMP). Ensuite, des modèles sont présentés pour représenter la fissuration dans les composites élastoplastiques polymer-fibres de verres imprimés en 3D, caractérisés par une forte anisotropie du fait de leur texture par couche. Pour cela, nous développons un modèle original de fissuration anisotrope basée sur la méthode champ de phase dans un cadre élastoplastique pour l'échelle macroscopique. Enfin, des images expérimentales de composites imprimés en 3D obtenues par micro tomographie sont directement utilisées pour modéliser les phénomènes complexes de fissuration à l'échelle de la microstructure
Databáze: OpenAIRE
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