Comportement thermomécanique de structures intégrant des alliages à mémoire de forme : Modélisation, Simulation et Expérimentation. Application aux façades adaptatives

par Philippe Hannequart

Thèse de doctorat en Structures et Matériaux

Sous la direction de Michaël Peigney et de Jean-François Caron.

Soutenue le 14-12-2018

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Tarak Ben Zineb.

Le jury était composé de Michaël Peigney, Karine Lavernhe-Taillard, Olivier Baverel.

Les rapporteurs étaient Olivier Doaré, Gildas L'Hostis.


  • Résumé

    Les propriétés thermomécaniques étonnantes des alliages à mémoire de forme (AMF) sont mises à profit dans de nombreux domaines. Ce matériau est capable de mettre en mouvement une structure suite à un changement de température. Or les façades de bâtiments contemporains, pour s’adapter à des conditions climatiques variables, doivent réguler le passage de la lumière et de l’énergie thermique, par exemple au moyen de systèmes motorisés. Le potentiel de fils AMF pour l’actionnement de protections solaires en façade est exploré ici. La modélisation du couplage mécanique induit par l’introduction de tels matériaux dans une structure a été peu étudiée : l’AMF agit sur la structure qui en retour modifie le comportement de l’AMF. La première étape de ce travail a consisté en une contribution à la modélisation du comportement thermomécanique de ce matériau reposant sur le choix d’une énergie libre, d’un potentiel de dissipation et de plusieurs variables internes. Deux modèles unidimensionnels ont été proposés : un premier modèle monocristallin reproduit de façon simplifiée le comportement du matériau, et un second modèle polycristallin propose une description plus fidèle. En parallèle un dispositif d’essai original à température contrôlée a été développé, il a permis une caractérisation fiable de fils Nickel-Titane et l’identification des paramètres des modèles. Dans un second temps ces modèles ont permis de résoudre des cas de couplage élémentaires (fil AMF + ressort, lame élastique + fil AMF noyé) pour des chargements thermomécaniques simples, et des solutions analytiques ont été établies. Les modèles ont été implémentés numériquement via un script matériau utilisateur (UMAT) pour le logiciel éléments finis ABAQUS et au moyen d’un algorithme d’optimisation sous contraintes. Ceci permet de simuler la réponse couplée de systèmes structuraux a priori quelconques intégrant des AMF, connectés à ou noyés dans, une structure. Dans un troisième temps, divers actionneurs ont été conçus, réalisés et testés dans le cadre de l’occultation solaire des façades. Le principe est d’utiliser un cycle de température permettant à l’AMF de déformer la structure, puis à l’énergie élastique de déformation de la structure d’assurer le retour à la forme originale. Le comportement réel de ces actionneurs a été comparé aux calculs analytiques et éléments finis. Des tests cycliques ont également été réalisés

  • Titre traduit

    Thermomechanical behavior of structures integrating shape memory alloys : Modelling, Simulation and Experimentation. Application to adaptive facades


  • Résumé

    The surprising thermomechanical properties of shape memory alloys (SMA) are harnessed in many engineering fields. This material is able to set a structure in motion upon a temperature change. Today, contemporary building facades must adapt to variable climate conditions as well as to evolving building use and occupancy. In particular, they must regulate light and thermal energy passing through the facade, with motorized systems, for example. We explore the potential of SMA wires for putting in motion solar shading devices in facades. The modelling of the mechanical coupling induced by the introduction of such materials in a structure has received little attention as of now. The SMA acts on the structure which in return modifies the SMA behavior. The first step of this work is a contribution to modelling the thermomechanical behavior of this material through the choice of a free energy, a dissipation potential and internal variables. We propose two one-dimensional models: a first monocrystalline model reproduces the material behavior in a simplified way, and a second polycrystalline model offers a more accurate description of it. An original temperature-controlled testing apparatus was developed in parallel. This led to a reliable characterization of Nickel-Titanium wires and the identification of the model parameters. In a second stage, these models allowed to solve elementary coupling cases (SMA wire + Spring, Elastic plate + Embedded SMA wire) for simple thermomechanical loadings and we established analytical solutions. The models were then numerically implemented via a user-material script (UMAT) for the finite elements software ABAQUS, by using a constrained optimization algorithm. This enables the simulation of the coupled response of, in principle, any structural system including SMA wires, connected or embedded in the structure. Finally, we designed, fabricated and tested different actuators in the context of sunlight control in facades. The working principle lies in using a temperature cycle which allows the SMA to deform the structure, and then allows the elastic strain energy in the structure to ensure the return to the original shape. The real behavior of these actuators have been compared to analytical and finite element calculations. We also performed cyclic tests


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