Development and implementation of numerical models for the study of multilayered plates

par Rawad Baroud

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Jean-François Caron.

Soutenue le 12-12-2016

à Paris Est en cotutelle avec l'Université Saint-Joseph (Beyrouth). Ecole supérieure d'ingénieurs de Beyrouth , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Hélène Dumontet.

Le jury était composé de Jean-François Caron, Fouad Kaddah, Karam Sab, Fadi Geara.

Les rapporteurs étaient Paolo Vannucci, Federica Daghia.

  • Titre traduit

    Développements et implémentation de modèles numériques pour l'étude des plaques multicouches


  • Résumé

    L’utilisation des multicouches prend de plus en plus d’ampleur dans le domaine des sciences de l’ingénieur, tout d’abord dans l’industrie, et plus récemment de plus en plus en Génie Civil. Qu’il s’agisse de complexes mêlant des polymères, du bois ou du béton, des efforts importants sont nécessaires pour la modélisation fine de ce type de matériaux. En effet, des phénomènes induits par l’anisotropie et l’hétérogénéité sont associés à ces multi-matériaux : effets de bords, dilatations thermiques différentielles, délaminages/décollements ou non linéarités de type viscosité, endommagement, plasticité dans les couches ou aux interfaces. Parmi les modèles proposés dans la littérature, on trouve par exemple des modèles monocouche équivalente ou de type "Layerwise" (une cinématique par couche). Appartenant à cette deuxième catégorie, des modèles ont été développés depuis quelques années dans le laboratoire Navier et permettent une description suffisamment fine pour aborder les problématiques spécifiques citées plus haut tout en conservant un caractère opératoire certain. En introduisant des efforts d’interfaces comme des efforts généralisés du modèle, ces approches ont montré leur efficacité vis-à-vis de la représentation des détails au niveau inter- et intra-couches. Il est alors aisé de proposer des comportements et des critères d’interfaces et d’être efficace pour la modélisation du délaminage ou décollement, phénomène très présent dans les composites multicouches assemblés et collés. Par conséquent, un programme éléments finis MPFEAP a été développé dans le laboratoire Navier. Le modèle a également été introduit sous la forme d’un User Element dans ABAQUS, dans sa forme la plus simple (interfaces parfaites).Un nouveau model layerwise est proposé dans ce mémoire pour les plaques multicouches, appelé "Statically Compatible Layerwise Stresses with first-order membrane stress approximations per layer in thickness direction" SCLS1. Le modèle est conforme aux équations d’équilibre 3D ainsi qu’aux conditions aux limites de bord libre. En outre, une version raffinée du nouveau modèle est obtenu en introduisant plusieurs couches mathématiques par couche physique. Le nouveau modèle a été mis en œuvre dans une nouvelle version du code éléments finis MPFEAP.En parallèle, un programme d’éléments finis basé sur la théorie Bending-Gradient développée dans le laboratoire Navier est proposé ici. Le modèle est une nouvelle théorie de plaque épaisse chargée hors-plan où les inconnues statiques sont celles de la théorie Love-Kirchhoff, à laquelle six composantes sont ajoutées représentant le gradient du moment de flexion. La théorie Bending- Gradient est obtenue à partir de la théorie Generalized-Reissner: cette dernière implique quinze degrés de liberté cinématiques, huit d’entre eux étant lié uniquement à la déformation de Poisson hors-plan, et donc l’idée principale de la théorie de plaque Bending-Gradient est de simplifier la théorie Generalized-Reissner en réglant ces huit d.o.f. à zéro et de négliger la contribution de la contrainte normale σ33 dans l’équation constitutive du modèle de plaque. Un programme éléments finis appelé BGFEAP a été développé pour la mise en œuvre de l’élément de Bending-Gradient. Un User Element dans Abaqus a été aussi développé pour la théorie Bending-Gradient


  • Résumé

    The use of multilayer is becoming increasingly important in the field of engineering, first in the industry, and more recently more and more in Civil Engineering. Whether complex blend of polymers, wood or concrete, significant efforts are required for accurate modeling of such materials. Indeed, phenomena induced anisotropy and heterogeneity are associated with these multi-material: edge effects, differential thermal expansion, delamination/detachment or nonlinearities viscosity type damage, plasticity in layers or interfaces. Among the models proposed in the literature, we found for example equivalent monolayer model or of "LayerWise" type (a kinematic per layer). Belonging to the second category, models have been developed in recent years in Navier allow a sufficiently detailed description to address specific issues mentioned above while maintaining a surgical nature. By introducing interface forces as generalized forces of the model, these approaches have demonstrated their effectiveness vis-à-vis the representation of details at inter- and intra-layers. It is then easy to offer behaviors and interfaces criteria and to be effective for modeling delamination or detachment, phenomenom very present in multilayered composites assembled and glued together. Therefore, a finite element program MPFEAP was developed in Navier laboratory. The model was also introduced as a User Element in ABAQUS, in its simplest form (perfect interfaces).A new layerwise model for multilayered plates is proposed in this dissertation, named Statically Compatible Layerwise Stresses with first-order membrane stress approximations per layer in thickness direction SCLS1. The model complies exactly with the 3D equilibrium equations and the free-edge boundary conditions. Also, a refined version of the new model is obtained by introducing several mathematical layers per physical layer. The new model has been implemented in a new version of the in-house finite element code MPFEAP.In parallel, a finite element program based on the Bending-Gradient theory which was developed in Navier laboratory, is proposed here. The model is a new plate theory for out-of-plane loaded thick plates where the static unknowns are those of the Love-Kirchhoff theory, to which six components are added representing the gradient of the bending moment. The Bending-Gradient theory is obtained from the Generalized-Reissner theory: the Generalized-Reissner theory involves fifteen kinematic degrees of freedom, eight of them being related only to out-of-plane Poisson’s distortion and thus, the main idea of the Bending-Gradient plate theory is to simplify the Generalized-Reissner theory by setting these eight d.o.f. to zero and to neglect the contribution of the normal stress σ33 in the plate model constitutive equation. A finite element program called BGFEAP has been developed for the implementation of the Bending-Gradient element. A User Element in Abaqus was also developed for the Bending-Gradient theory


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