Academic literature on the topic 'Matériau orthotrope'

Le développement de nouveaux matériaux pose le problème de la connaissance de leurs constantes élastiques. Les méthodes de mesure des constantes élastiques sont nombreuses, mais ne permettent que très rarement de déterminer simultanément et de façon non destructive un grand nombre des composantes du tenseur des rigidités élastiques. Grâce l'essor des outils de calcul numérique et de traitement du signal, une nouvelle méthode est développée, basée sur l'analyse du comportement dynamique d'une plaque rectangulaire complètement libre à orthotropie spéciale. Deux modèles théoriques sont décrits selon que la plaque est mince ou épaisse conduisant aux équations aux dérivées partielles du mouvement et à l'expression des conditions aux limites. La résolution en terme de fréquences propres et modes propres de ces équations n'est pas simple, et par souci d'économie de temps calcul, une méthode semi-analytique originale est développée: il s'agit de la méthode dite de superposition qui permet de décomposer un problème qui n'admet pas de solution analytique, en deux sous problèmes dont la solution peut être décrite grâce à des développements en séries trigonométriques. Par ailleurs, un dispositif expérimental est mis au point, permettant, grâce à une bonne simulation des conditions aux limites complètement libres et à l'utilisation d'une métrologie sans contact, de déterminer avec précision les fréquences propres et modes propres d'une plaque. Sachant calculer théoriquement et mesurer expérimentalement les fréquences propres de la plaque, un algorithme est développé afin de déterminer les quatre ou six constantes élastiques (selon qu'elle est mince ou épaisse) régissant au mieux au sens des moindres carrés son comportement dynamique. Finalement, des résultats expérimentaux valident la méthodologie proposée et montrent sa précision et sa sensibilité

Ce travail présente une méthode d'estimation des caractéristiques de rupture différée, basée sur la théorie de schapery supposant un matériau viscoélastique orthotrope. En construction bois, la connaissance de la tenue à long terme est nécessaire au respect des règlements de construction. Les neuf composantes de la matrice des souplesses sont déterminées par des essais de fluage pour des durées comprises entre 1 et 6 jours. Les caractéristiques de rupture (facteur d'intensité de contrainte, taux de restitution d'énergie, vitesse de fissuration) sont recherchées par des essais de croissance stable de fissure. Le mode d'ouverture est réalisé pour les éprouvettes d. C. B. Le mode ii de glissement a nécessité la mise au point d'une nouvelle éprouvette permettant de stabiliser la propagation. Le comportement de l'éprouvette est modélise numériquement et met en évidence l'intérêt d'une géométrie a inertie variable. L’estimation de la durée de vie à partir de cette théorie fournit des résultats en accord avec la littérature. Une étude par fractographie au microscope électronique à balayage permet de caractériser le facies de rupture en fonction du mode de propagation

Les elements de structure bois sont le plus souvent flechis et sollicites en fluage. Ils contiennent des fissures qui se developpent a partir des defauts du materiau. Il est important de prevoir la rupture differee de ces structures. C'est pourquoi, le but des travaux presentes est de modeliser la duree de vie en climat naturel de poutres fissurees en lvl (composite a base de bois). Les variations de l'humidite ont une influence considerable sur la duree de vie et sur la duree de propagation d'une fissure. Neanmoins, les effets des variations de la teneur en eau de l'air sur la propagation d'une fissure ne sont pas encore clairement identifies. C'est un point essentiel de cette etude pour, ensuite, permettre une demarche numerique dans le but de developper un modele de propagation dans un milieu orthotrope et viscoelastique en environnement naturel.

Avant la généralisation des toiles vers le XVI-XVIIème siècle, le bois a servi de support à d'innombrables peintures qui constituent aujourd'hui une part importante, dans les musées et les églises notamment, de notre patrimoine culturel. Après plusieurs siècles d'existence, les planches servant de support aux panneaux peints sont très souvent courbées : cette courbure est généralement imputée à la présence unilatérale de la couche picturale, imposant des échanges asymétriques d'humidité entre le bois, matériau hygroscopique, et son environnement de conservation. Par ailleurs il existe dans ces déformations une forte contribution de l'orthotropie cylindrique du bois qui est une conséquence de la croissance des arbres. Enfin, l'historique des variations hygrométriques à proximité d'un panneau peint renvoie à l'étude plus générale du comportement thermo-hygro-mécanique différé du bois. Une compréhension d'ensemble de ces phénomènes doit permettre d'orienter des décisions difficiles de conservation, notamment celles relatives au déplacement des œuvres ou à la maîtrise des environnements dans les musées. Nous proposons dans ce travail une approche générale de mécanique du matériau et des structures bois appliquée aux panneaux peints. La méthode utilisée intègre des moyens expérimentaux en laboratoire et sur des œuvres in-situ, des méthodes numériques, et l'accent est mis sur le lien fort existant entre les aspects " comportement " propres au bois (anisotropie, couplages hygromécaniques, etc.) et les aspects de structure relatifs aux panneaux peints (débit des planches, efforts extérieurs dus à leur assemblage, etc.). Un outil de calcul basé sur la modélisation mécanique des plaques orthotropes est développé. Il prend appui sur un code préexistant de transfert de masse et de chaleur décrivant les mouvements d'eau dans le support. Ce code de calcul complet est utilisé notamment sur un cas d'étude : un panneau peint de 500 ans environ, en situation d'exposition dans une église.

Ce travail porte sur l'analyse de poutres composites à section complexe. Dans une première partie, l'étude est limitée aux matériaux anisotropes dont un axe d'orthotropie est parallèle à l'axe longitudinal de la poutre. La méthode utilisée est basée sur le principe des travaux virtuels. Le code réalisé à partir de cette théorie permet de calculer toutes les grandeurs caractéristiques d'une section droite. L'étude est complétée par une analyse des problèmes relatifs à la torsion à gauchissement gêné et au couplage torsion-effort normal. La méthode est étendue aux poutres dont l'orientation des axes d'orthotropie des matériaux est quelconque. Ceci est réalisé en utilisant une formumation unifiée du vecteur déplacement et en appliquant le principe des travaux virtuels. Le code de calcul basé sur cette théorie a été développé et il permet de déterminer tous les termes de couplage. Dans la dernière partie, une méthode et un programme sont réalisés pour optimiser la forme d'une section droite pour une masse minimale et avec des contraintes imposées. Ceci est rendu possible grâce au mailleur paramétré développé.

Les développements récents des structures gonflables en aéronautique et dans le domaine du bâtiment nécessitent la détermination du comportement dynamique de leurs éléments constitutifs fondamentaux : poutres gonflables. L'objectif de cette thèse est l'analyse modale de cette structure. Des expériences sont menées sur des poutres gonflables en tissus enduits afin de mesurer leur réponse dynamique à différentes pressions internes. Les poutres sont fabriquées avec le même tissu enduit mais avec différentes orientations entre fils de chaîne et de trame par rapport à l'axe de la poutre. Les essais montrent d'une part les évolutions des fréquences propres en fonction de la pression et d'autre part l'influence des propriétés orthotropes du tissu sur la réponse dynamique. Trois études numériques complémentaires sont effectuées. Deux approches de type poutre permettant la recherche des fréquences propres des poutres gonflables sont présentées : une méthode exacte (éléments continus) est d'abord utilisée et on relie les résultats obtenus avec une formulation structure, mais pas la détermination des modes de type membrane, ce qui nous fait introduire la méthode des éléments finis de type membrane 3D. Les non linéarités des membranes (géométriques et matérielles) ont été prises en compte. Les résultats analytiques et numériques sont comparés avec l'expérience dans le cas d'une poutre bi appuyée
The recent developments of inflatable structures in aeronautics and in the field of the building require the determination of the dynamic behavior of their fundamental components : inflatable beams. The objective of this dissertation is the modal analysis of this type of structures. Experiments are done on inflatable coated fabric beams in order to measure their dynamic response with various internal pressures. The beams are manufactured with same coated fabric but with various orientations between warps and wefts compared to the axis of the beam. The tests show on the one hand the evolutions of the natural frequencies according to the pressure and on the other hand the influence of the orthotropic properties of fabric of the dynamic response. Three numerical studies are carried out. Two beam's approaches allowing the research of the natural frequencies of the inflatable beams are presented : an exact method (continuous elements) is initially used and one connects the results obtained with a finite element formulation of displacements. Type. The internal pressure appears in the solution. Beam's approaches allow the study of the modes of the structure type, but not the determination of the membrane's modes, which makes us introduce the finite membrane 3D elements. The nonlinearities of the membranes (geometrical and material ones) are taken into account. The analytical and numerical results of a simple supported inflatable beam are compared with the experimental results. They are in very good agreement

L’étude des structures raidies est un sujet de recherche récurrent. En effet, celles-ci sont présentes dans de nombreuses applications industrielles. Leur utilisation offre de nombreux avantages notamment du point de vue de l’allègement, critère qui est particulièrement important dans l’industrie automobile par exemple. Dans un tout autre domaine, la table d’harmonie de piano constitue un exemple typique de ces structures raidies et les problèmes relevés par les professionnels du domaine sont nombreux. Aujourd’hui, les ressources numériques permettent de prendre en compte de nombreux phénomènes dans les modèles développés avec pour conséquence, une difficulté d’interprétation entre les données d’entrée et de sortie. En considérant moins de paramètres à la fois, les modèles simplifiés présentent alors l’avantage de pouvoir en séparer la participation dans le rendu global. En prenant comme point de départ une plaque simplement supportée rectangulaire orthotrope dite « spéciale » dans laquelle la table est inscrite, la forme de la table d’harmonie est recréée par ajout d’une densité de ressorts ponctuels dans le domaine complémentaire. Par couplage avec des superstructures collées sur chaque face, il est possible de déterminer le comportement vibratoire de l’instrument ainsi que le rayonnement acoustique à partir des impédances de rayonnement d’une plaque simplement supportée bafflée. Ce modèle analytique est par la suite couplé à une corde et résolu dans le domaine temporel et présente alors l’avantage de pouvoir évaluer perceptivement l’impact de modifications structurelles. L’originalité d’un tel calcul tient dans le fait que des forces d’interactions assurent la continuité entre les soussystèmes et deviennent des inconnues du problème, comme dans les problèmes de contacts ou de frottements. Enfin, la prise en compte des petites non-linéarités géométriques de la corde sera faite en les considérant comme des seconds membres des équations du mouvement, ce qui permet de conserver la notion de modeslinéaires
Ribbed structures are a current subject of study and they are often used in many industrial domain. Indeed, there use offers some advantages as for example in automotive domain to reduce the weight of vehicule that is an important actual constrain. In the musical domain ribbed structures are also often used and musical instruments mixed structural, perceptive and subjective considerations. In that domain, one of the main difficulties is to translate the language between the science and the music and to make equivalence between phenomena describe by the musicians and scientific indicators. The piano soundboard is a typical example of these ribbed structures and difficulties reported by piano makers are many. Nowadays, numerical computing resources allow to take into account some phenomena in modeling but as a consequence, it appears a “black box effect” between input and output data. Taking into account less parameters, reduced models offer the advantage to separate the influence of each parameter in the final result. Taking into account as starting point a simply supported rectangular plate with special orthotropy, the edges of the soundboard are described by an addition of punctual springs in the fictive domain. Coupling to it some stiffeners on the both faces, it is possible to calculate the vibratory behavior of the instrument such as the acoustic radiation through the acoustical radiation impedances of the baffled simply supported plate. This simplified analytical modeling is representative of phenomena found in the literature and is also well adapted to parametrical studies. So, it highlights the space localizations of vibration, due to the conception of the instrument, and allows studying the influence of structural parameters on the mobility along the bridge, the acoustical radiated power for example. In order to qualify, with a reduced computing cost, the influence of structural parameters on the perceived sound, this analytical model for ribbed structure is coupled to a string and solved in time domain

La modélisation numérique des structures bois dans des conditions d’incendie nécessite la connaissance : de la variation des propriétés physiques du bois telles que la conductivité thermique, la chaleur spécifique et la densité en fonction de la température ; de la dégradation thermique du bois au cours des phases de séchage, de pyrolyse et de combustion. En particulier, nous nous sommes intéressés à l’étude du comportement thermomécanique du matériau bois. La loi thermique est décrite par l’équation de la chaleur. Le modèle choisi intègre les trois modes du transfert de chaleur : la conduction, le rayonnement et la convection. La loi mécanique est modélisée dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles utilisant la notion des variables d’état. Elle tient compte du couplage entre le comportement élastique orthotrope, plastique anisotrope à écrouissage non linéaire isotrope et un endommagement isotrope. L’intégration numérique de la loi mécanique par un schéma implicite itératif combinant la technique du retour radial avec la réduction du nombre des équations est présentée. Le couplage thermomécanique est réalisé, selon l’approche réglementaire de l’Eurocode 5 relatif à la résistance au feu des structures en bois, en appliquant le facteur de réduction Kθ sur la résistance mécanique d’un résineux. Les aspects théoriques et les conditions aux limites associés au modèle thermomécanique sont abordés. L’identification des paramètres du modèle est réalisée sur des données expérimentales obtenues sur des tests réels d’incendie disponibles dans la littérature. À ce titre, plusieurs comparaisons avec différentes applications sont réalisées. Le modèle éléments finis reproduit avec précision la distribution du champ de température dans l’épaisseur des panneaux en bois, la formation du charbon ainsi que l’évolution de la résistance mécanique au cours de l’exposition au feu
Numerical modelling of timber structures in fire conditions requires the knowledge of the variation with temperature of the physical properties of the wood material (the thermal conductivity, the specific heat and the density) in order to take into account the thermal degradation of wood under high temperatures during the drying, pyrolysis and combustion phases, as well as the temperature profiles in the thickness of the surfaces exposed to fire. In particular, this work focusses on the thermomechanical behaviour of timber. The heat transfer analysis is described by the standard equations of heat conduction. It includes the three modes of heat transfer: conduction, radiation and convection. The structural response is modelled within the framework of thermodynamics of irreversible processes using the notion of state variables. It takes into account the coupling between the orthotropic elastic behaviour, the anisotropic plastic behaviour with isotropic nonlinear hardening, and isotropic damage. The numerical integration of the equilibrium equations is carried out with an iterative implicit scheme combining the technique of radial re- turn with the reduction of the number of equations. The thermomechanical coupling is carried out according to the approach recommended by Eurocode 5 for the fire resistance of timber structures by applying the reduction factor Kθ to the strength of a softwood. The theoretical aspects and boundary conditions associated with the thermomechanical model are also discussed. The parameters of the model are identified with experimental data obtained from actual fire tests available in the literature. Several comparative applications are carried out. The finite element model accurately reproduces the distribution of the temperature profile in the thickness of timber planks, the formation of the charred layer, and the evolution of the mechanical resistance during exposure to fire

Cette étude présente une approche novatrice de conception optimale d'essais en vue de l'identification du comportement élastique en flexion de plaques minces orthotropes. La méthode d'identification employée consiste à recaler les paramètres d'un modèle numérique, ici à base d'éléments finis, sur les résultats expérimentaux, par un processus de moindres carrés. La méthode de conception d'essais que nous proposons optimise : les rapports entre les intensités des efforts, l'emplacement des efforts appliqués et les positions des conditions aux limites sur les bords de l'échantillon dont la géométrie est fixe. Nous avons défini de très opportuns indicateurs de sensibilité de l'essai par rapport aux paramètres à identifier. L'optimisation consiste ensuite à maximiser le plus petit d'entre eux. Cette optimisation est réalisée par un algorithme génétique. Différentes simulations tenant compte des erreurs de mesure et de modélisation ont été effectuées sur les configurations conçues par cette approche. Elles montrent une très bonne stabilité de la procédure d'identification, et les constantes élastiques d'une plaque orthotrope sont identifiées en un seul essai avec une très bonne précision, qui semble bien meilleure que celle des essais classiquement utilisés. On peut donc espérer des résultats positifs avec une expérimentation réelle.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode séparant les modes mixtes de rupture dans les matériaux viscoélastiques orthotropes soumis au fluage. La formulation analytique proposée est basée sur l’intégrale invariante M. Dans une première phase, une modélisation numérique de l’outil est proposée et comparée avec une formulation analytique issue de la densité d’énergie libre d’Helmholtz. L’indépendance du domaine d’intégration est justifiée, et simultanément, les différentes évolutions du taux de restitution d’énergie G sont présentées en fonction du temps. Une seconde phase propose une extension de l’intégrale M à la propagation de fissure. Le formalisme analytique repose sur les théorèmes de conservation énergétiques et une conjonction des champs réels et virtuels. Grâce à une formulation incrémentale du comportement viscoélastique, l’algorithme de propagation proposé est résolu grâce au code de calcul aux éléments finis CASTEM. Ainsi, l’indépendance du domaine est justifiée, et G est présenté en fonction du temps, de la vitesse de propagation et de la longueur de fissure, justifiant ainsi, la capacité du model à séparer les modes. Enfin, l’éprouvette 2MCG (Mixed Mode Crack Growth), traduisant les effets temporels dus au fluage, est proposée. Sa conception résulte d’une part, compromis entre les éprouvettes DCB (Double Cantilever Beam) et CTS (Compact Tension Shear), et d’autre part de l’observation d’une plage de stabilité de G instantané calculé via l’intégrale M. Grâce à une presse et à l’analyse d’images, les essais instantanés sont effectués afin d’obtenir la longueur de fissure, les forces F et G critiques. Enfin, une propagation viscoélastique intégrant les phases d’amorçage, les temps critiques et la longueur de la zone d’élaboration mixte est envisagée
Due to creep process, a new method based on M integral, separating mixed-modes fractures in viscoelastic material, is presented in this thesis. In the first time, a numerical modelling of M is proposed and compared with an analytical formulation given by Helmholtz’s free energy density. In this fact, the non dependence domain integration is proven. In the same time, the different evolutions of energy release rate G versus time are shown. In the second time, a generalization of M to crack growth process is proposed. The analytical development is based on conservative laws and a combination of real and virtual fields. According to an incremental viscoelastic formulation, the proposed numerical crack growth algorithm is resolved with finite element software CASTEM. In this case, the non dependence domain integration is also shown. So, the different evolutions of G versus time, crack speed and crack length are posted. This fact proves the capacity of the proposed model to traduce efficiently the mixed-modes fractures separation and viscoelastic effect. Finally, a new 2MCG (Mixed-Mode Crack Growth) specimen, traducing viscoelastic characteristics due to creep loading is proposed. Its design results from a judicious compromise between DCB (Double Cantilever Beam) and CTS (Compact Tension Shear) specimens, but also, by the observation of an instantaneous energy release rate stability given by the previous M integral. Thanks to a press and the images analysis, several instantaneous tests have been performed in order to traduce the crack length and the critical values of the load F and G. At the end, a real viscoelastic integrating the crack initiation, the critical time and the length of the process zone in mixed mode is proposed