Modélisation numérique de plaques et de coques composites à l'aide d'une approche au sens de Reissner-Mindlin enrichie pour les problèmes mécanique et piézo-mécanique

par Mehdi Ben thaier

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil

Sous la direction de Olivier Polit.

Le président du jury était Joël Pouget.

Le jury était composé de Olivier Polit, Joël Pouget, El Mostafa Daya, Sergio De Rosa, Philippe Vidal, Michele D'Ottavio, Erasmo Carrera.

Les rapporteurs étaient El Mostafa Daya, Sergio De Rosa.


  • Résumé

    Ce travail concerne le développement d’un outil numérique pour résoudre des problèmes de plaques et de coques mécaniques et piézo-électriques multicouches. En d’autres termes, nous développons des éléments finis basés sur le modèle de Reissner-Mindlin pour l’analyse des problèmes mécaniques et piézoélectriques de plaques et de coques multicouches. Cet outil doit être le moins coûteux en termes de degrés de liberté, simple à utiliser pour modéliser le problème, sans aucune pathologie numérique classique et satisfaisant :vitesse de convergence et efficacité.Dans le domaine des éléments finis, il existe une théorie appelée La « théorie des déformations du cisaillement du premier ordre »(FSDT), utilisée pour résoudre des problèmes purement mécanique prenant en compte l’effet des contraintes en cisaillement transverse. Dans cette théorie, cinq degrés de liberté (trois translations et deux rotations), sont à chercher.Prenant en compte l’hypothèse d’une approximation du déplacement au niveau de la surface moyenne, en utilisant la loi constitutive 2D.Dans ce travail, nous présentons l’extension piézoélectrique de cette théorie pour des éléments finis quadratiques à huit nœuds pour résoudre des problèmes de plaques et de coques multicouches. En effet, la nouveauté dans ce travail est celle de considérer une loi constitutive 3D afin de calculer non seulement le déplacement transversal au niveau du plan moyen de chaque couche mais aussi les déplacements transversaux en surface supérieure et en surface inférieure de chaque couche. Cette approximation de l’épaisseur fait intervenir deux nouveaux degrés de liberté, qui seront très importants dans l’étude des plaques et des coques épaisses et semi épaisses.Le déplacement mécanique est approximé en utilisant une approche Equivalent Single Layer(ESL) et le potentiel électrique est , quant à lui, approximé par une approche LayerWise (LW).Cette évolution est proposée afin d’acquérir un bon compromis entre le minimum de degrés de liberté et le maximum d’efficacité. D’une part, l’approximation par élément fini pour le potentiel électrique, respectant les coordonnées de l’épaisseur est représenté par une variation linéaire au niveau de chaque couche. D’autres part ce potentiel est constant par élément en chaque interface, ce qui réduit le nombre d’inconnus pour la recherche du potentiel électrique résultant. Plusieurs tests numériques sont présentés dans le but d’évaluer les éléments mécanique et piézoélectrique de plaque PQ8P7 et PQ8P7PZ et de coque CQ8P8 et CQ8P8PZ ainsi que leurs capacités de résoudre les problèmes physiques auxquels ils sont dédiés, en comparant nos résultats aux solutions de référence.


  • Résumé

    The aim of this work is to develop a computational tool for a multilayred piezolelectic plates and shells: a low cost tool, simple to use and very efficient for both convergence velocity and accuracy, without any classical numerical pathologies. In the field of finite elements, there is atheory, called "First-order-shear deformation theories (FSDT) used for the mechanical part in much reserches, taking in account the transverse shear stress effects. There are only five unknows generalized displacement, taking the hypothesis of the midsurface displacement approximation using a 2D constitutive law. In This work we present the piezo electric extension of the FSDT eight nodes plate/shell finite element using seven unknows genralized displacement. Two new mechanical unknowns are added to approximate the thickness in the top and the bottom of the /shell, considering a 3D constitutive law, wich is very interesting study especialy for the thick plate/shell modelisation. The mechanical displacement is approximated using the equivalent single layer approch (ESL) and the electric potential is approximated using the layerwise approch (LW).An evolution is proposed in order to access the best compromise between minimum number of degrees of freedom and maximum efficiency. On one hand, a finite element approximation for the electric potential with respect to the thickness coordinate are presented a linear variation in each layer. On the other hand, the in-plane variation is constant on the elementary domain at each interface layer. The use of a constant value reduces the number of unknown electric potentials. Furthermore, at the post processing level, the transverse shear stress are deduced using the equilibrium equations.Numerous tests are presented in order to evoluate that capability of these electric potential approximations to give accurate results with respect to piezoelasticity or finite element reference solutions.


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