Matériaux en treillis

Nodal design of lattice mechanical metamaterials

• Auteur / Autrice : Xueyan Chen
• Direction : Vincent Laude, Tan Huifeng, Muamer Kadic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Harbin Institute of Technology (Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Geng-Kai Hu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Laude, Tan Huifeng, Muamer Kadic, Geng-Kai Hu, Claude Boutin, Corentin Coulais, Yue-Sheng Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Boutin, Corentin Coulais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poutres à treillis

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamateriaux

Treillis

Anisotropie

Homogénéisation

Effet nodal

Metamaterials

Lattice materials

Anisotropy

Homogenization

Nodal effect

Résumé

Les joints ou nœuds avec une configuration géométrique complexe connectant des tiges se trouvent couramment dans les matériaux en treillis. L'existence des nœuds a un impact certain sur les propriétés mécaniques du réseau. La thèse s'intéresse principalement aux treillis cubiques élémentaires de poutres. La première innovation que nous proposons est un modèle analytique pour identifier les effets nodaux et de flexion sur la réponse en compression du réseau FCC. Sur la base des résultats obtenus, des métamatériaux mécaniques tubulaires BCC de forme ouverte ultra-résistants et légers sont présentés pour supporter la charge et absorber l'énergie. Le choix du nœud offre la possibilité de contrôler l'isotropie élastique des métamatériaux. Nous proposons une nouvelle classe de treillis élastiquement isotropes et légers, dominés par la flexion, en remplaçant le nœud interne du treillis BCC par un treillis SC. Des simulations numériques révèlent que les réseaux proposés possèdent non seulement une isotropie élastique, mais aussi une réponse non linéaire presque isotrope. En particulier, notre matériau avec une densité relative inférieure à 1% atteint presque la limite supérieure du coefficient de Poisson pour un matériau isotrope. Nous proposons également une nouvelle classe de métamatériau isotrope et réutilisable de type liège, qui est conçu à partir d'un matériau hybride en treillis avec une connexion de nœud complexe qui permet d'obtenir un coefficient de Poisson isotrope proche de zéro. Il peut récupérer 96,6% de sa forme originale après un test de compression dépassant 20% de déformation. Des tests de compression uniaxiale sont effectués pour toutes les conceptions proposées.

Joints or nodes with complex geometrical configuration at the connection between rods are commonly found in lattice materials. The existence of nodes definitely has a determinant impact on the mechanical properties of the lattice materials. The main focus of this thesis is elementary cubic truss lattices. The first innovation that is proposed is an analytical model to identify the effect of nodes and bending on the compressive response of FCC lattices. Based on the obtained result, lightweight ultra-strong open-form BCC shellular and closed-form SC tubular mechanical materials are presented, for supporting load and absorbing energy. The choice of nodes provides one with a possibility to control the elastic isotropy of lattice materials. We propose a new class of light-weight elastic isotropic bending-dominated truss lattice by replacing the inner node of the BCC lattice with a SC lattice. Numerical simulations reveal that the proposed lattices not only exhibit elastic isotropy but also a nearly isotropic nonlinear response. We also propose a new class of isotropic and reusable cork-like metamaterial that is designed from an hybrid truss-lattice material with complex node connection. The metamaterial shows an isotropic Poisson's ratio close to zero. It can recover 96.6% of its original shape after a compressional test exceeding 20% strain. Uniaxial compression tests are performed to confirm the designs in all cases.