Les méthodes d'homogénéisation numériques permettent de lever les limitations associées aux approches analytiques ou semi-analytiques pour prédire le comportement des matériaux hétérogènes dont les phases sont décrites par un comportement non linéaire, en particulier pour des morphologies de géométries complexes, ou des comportements dépendant de l'histoire, ou en grandes déformations. Dans ce travail, plusieurs contributions aux méthodes d'homogénéisation numériques pour traiter les problèmes non linéaires sont proposées. Dans une première partie, nous introduisons une méthode permettant de réaliser l'homogénéisation des matériaux dont les phases sont élastoplastiques parfaites. La technique est une extension de la méthode Non Uniform Transformation Field Analysis (NTFA) dans laquelle un algorithme de type prédiction-correction est introduit pour actualiser les variables internes. Dans une seconde partie, une méthode pour réaliser l'homogénéisation des composites non linéaires élastiques en petites et grandes déformations est proposée. Celle-ci se base sur la construction de potentiels associés au comportement effectif sous forme d'une base de données composée de valeurs discrètes interpolées à partir de valeurs discrètes obtenus par calculs éléments finis réalisés sur un Volume Élémentaire Représentatif (VER). Un schéma original d'interpolation est introduit, utilisant la notion de réseaux de neurones artificiels pour limiter le nombre de valeurs pré-calculées et choisir les points aléatoirement dans l'espace du chargement et des paramètres. Il est possible d'introduire des paramètres associés à la microstructure dans le comportement tels que la fraction volumique ou des paramètres de comportement des phases, en vue de possible optimisation de la réponse associée des structures non linéaires / Computational homogenization methods allow circumventing issues associated to analytical or semi-analytical approaches, for predicting the effective behavior of heterogeneous materials whose phase are described by a nonlinear behavior, more precisely when microstructures have complex morphologies or a history-depedendent behavior, or when considering finite strains. In this work, several contributions to computational homogenization methods for modeling nonlinear heterogeneous materials are proposed. In a first part, we introduce a method for homogenizing meterials whose phases are perfectly elastoplastic. The technique extends the Non Uniform Transformation Field Analysis (NTFA) method by développing a return-mapping algorithm to update macroscopic internal variables. In a second part, a method is introduced for the homogenization of nonlinear composites whose phases are nonlinearly elastic, at both small and finite strains. The approach is based on the construction of potentials associated to the effective behavior in the form of a database whose discrete values are computed through Finite Element Computations realized on a Representative Volume Element (RVE). An original interpolation scheme is introduced, which is based on artificial Neural Networks to reduce the number of computed values which can be distributed randomly in the parameter space. It is then possible to introduce parameters associated to the microstructure in the constitutive law, such as volume fraction or constitutive parameters of local phases, for optimization of the related non linear structure response

The convergence of the digital and physical world encourages advances in high-speed telecommunication and fifth generation technology. Two-phase heat transfer systems are common engineering solutions. However, due to the large frequency spectra in 5G, the systematic heat generation increases requiring more efficient thermal management. The surface characteristics of solid materials in these systems is vital making micro-architectured materials a novel pathway to improve heat transfer. The coefficient of thermal expansion and thermal conductivity of the Schoen-Gyroid, a triply periodic minimal surface structure is studied along with a classical cylindrical porous structure. Graphite and graphene are considered as materials with excellent thermal and mechanical properties and are thus the base materials considered in this project. A comprehensive manufacturability study was conducted in order to gain knowledge regarding different graphite/graphene options and it was concluded that commercially available isotropic graphite was the best suited material for the purpose of this project. A decoupled thermo-mechanical analysis of the coefficient of thermal expansion and thermal conductivity of said structures as a function of volume fraction was conducted using computational homogenization with finite element analysis. A linearly elastic constitutive material model in COMSOL Multiphysics was used. As expected, the homogenized effective material is governed by linear constitutive model. Moreover, the results displayed a linear dependency on the porosity for both the CTE and thermal conductivity. The mechanical FEM model was validated using an analytical model derived by Gibson and Ashby and the thermal conductivity FEM model was validated using experimental data.

Les matériaux cellulaires poreux de type mousse présentent un grand intérêt pour de nombreuses applications. Leurs propriétés thermiques, mécaniques, acoustiques dépendent fortement de leur microstructure complexe. Afin de mieux comprendre la relation microstructure/propriétés mécaniques de ces matériaux, une modélisation micromécanique basée sur une méthode d’homogénéisation périodique et le lemme de Hill est proposée pour prédire les propriétés élastiques effectives de ces matériaux. Une approche basée sur le diagramme de Voronoï est utilisée pour générer des structures de mousse périodiques réalistes plus ou moins irrégulières, couvrant une large gamme de matériaux . Différents types de mousses à forte porosité sont générés, non seulement des matériaux cellulaires à pores ouverts mais aussi des matériaux cellulaires à pores fermés. Des comparaisons avec des résultats issus de tomographie X d’architectures réelles 3D de mousses valident ces approches de Voronoï. Les simulations numériques permettent d’étudier l’influence des paramètres morphologiques des mousses sur les propriétés élastiques effectives. De nouvelles lois analytiques génériques de propriétés effectives sont déduites pour des mousses à cellules ouvertes de type Kelvin. Une attention particulière est portée sur la détermination de l’élément de volume représentatif (VER). Des méthodes statistiques spécifiques sont proposées pour déterminer le VER approprié aux modèles de mousse. Dans le cas des mousses polymères isolantes à cellules fermées irrégulières anisotropes, la confrontation avec des résultats d’essais mécaniques confirme la validité des modèles développés. / Thanks to the excellent combination of physical, mechanical and thermal properties, foam materials bring new possibilities to extend the range of the properties for engineering, which is limited by fully dense solids. In this study, a micromechanical modeling based on Hill's lemma (Hill's lemma periodic computational homogenization approach) is proposed for predicting the effective elastic properties of foam materials. An approach based on Voronoi diagram is used to generate realistic periodic foam structures, including regular and irregular open-cell structures, and irregular closed-cell structures. First, the influences of morphological parameters of open-cell foams on the effective elastic properties are studied. The generated structures allow representing the details of the microstructure and cover a large range of foam materials for engineering purposes. With the assessments, new generic analytical laws are proposed for Kelvin open-cell foams by considering their morphological parameters. Second, the tomography images are analysed to obtain the morphological description of the real irregular open-cell structure. With these morphological parameters, numerous numerical realistic structures are generated. Specific statistic methods are proposed to determine the Representative Volume Element (RVE) for foam models. Third, the anisotropic irregular closed-cell foam is studied. The numerical structures are generated with the morphological description of the reconstructed tomography structure and the effective elastic properties of the closed-cell foam models are estimated. The numerical results show the satisfying agreement with the experimental results.

In this work, a Representative Volume Element (RVE) generator based on the distance fields of arbitrary shaped inclusion packing is used to obtain morphologies of open-foam materials. When the inclusions are spherical, the tessellations of the resultant packing creates morphologies that are similar to physical foam samples in terms of their face-to-pore ratio, edge-to-face ratio and strut length distribution among others. Functions that combine the distance fields can be used to obtain the tessellations along with the necessary variations in the strut geometry and extract these open-foam morphologies. It is also possible to replace the inclusion packing with a predefined set of inclusions that are directly extracted from CT-scan based images.The use of discrete level-set functions results in steep discontinuities in the distance function derivatives. A multiple level-set based approach is presented that can appropriately capture the sharp edges of the open-foam struts from the resultant distance fields. Such an approach can circumvent the discontinuities presented by the distance fields which might lead to spurious stress concentrations in a material behavior analysis.The individual cells are then extracted as inclusion surfaces based on said combinations of the distance functions and their modifications. These surfaces can be joined together to obtain the final geometry of the open-foam morphologies. The physical attributes of the extracted geometries are compared to the experimental data. A statistical comparison is presented outlining the various features. The study is extended to morphologies that have been extracted using CT-scan images. With the help of mesh optimization tools, surface triangulations can be obtained, merged and developed as finite element (FE) models. The models are ready to use in a multi-scale study to obtain the homogenized material behavior. The upscaling can help assess the practical applications of these models by comparing with experimental data of physical samples. The material behavior of the RVEs are also compared with the experimental observations. To increase the computational efficiency of the study, a neural network based surrogate is presented that can replace the micro-scale boundary value problem (BVP) in the multi-scale analysis. The neural networks are built with the help of modules that are specifically designed to predict history dependent behavior and are called Recurrent Neural Networks (RNN). The surrogates are trained to take into account the randomness of the loading that complex material undergo during any given material behavior analysis. / Dans ce travail, un générateur de volumes élémentaires représentatifs (VER) basé sur les champs de distance d'un agrégat d'inclusions de forme arbitraire est développé dans le cadre de matériaux moussés à structure ouverte. Lorsque les inclusions sont sphériques, la tessellation de l'agrégat résulte en des morphologies similaires aux échantillons de mousse physique en termes de rapports des nombres de face par pores et de bords par faces, ainsi que de la distribution de la longueur des entretoises, entre autres. Les fonctions qui combinent les champs de distance peuvent être utilisées pour obtenir des tesselations avec les variations nécessaires aux géométries des entretoises et extraire ces morphologies de mousse ouverte. Il est également possible de remplacer l'agrégat d'inclusions par un ensemble prédéfini d'inclusions qui sont directement extraites d'images tomographiques.L'utilisation de fonctions de niveaux discrètes entraîne de fortes discontinuités dans les dérivées des champs de distance. Une approche basée sur des ensembles de niveaux multiples est présentée qui peut capturer de manière appropriée les arêtes vives des entretoises des mousses ouvertes à partir des champs de distance résultants. Une telle approche peut contourner les discontinuités présentées par les champs de distance qui pourraient conduire à des concentrations de contraintes parasites dans une analyse ducomportement des matériaux.Les pores individuels sont ensuite extraits en tant que surfaces d'inclusions sur la base desdites combinaisons des fonctions de distance et de leurs modifications. Ces surfaces peuvent être réunies pour obtenir la géométrie finale des morphologies de mousse ouverte. Les attributs physiques des géométries extraites sont comparés aux données expérimentales. Une comparaison statistique est présentée décrivant les différentes caractéristiques. L'étude est étendue aux morphologies qui ont été extraites à l'aide d'images tomographiques.À l'aide d'outils d'optimisation de maillage, les triangulations des surfaces peuvent être obtenues, fusionnées et développées sous forme de modèles d'éléments finis (FE). Les modèles sont prêts à être utilisés dans une étude multi-échelle pour obtenir le comportement homogénéisé du matériau. La mise à l'échelle peut aider à évaluer les applications pratiques de ces modèles en les comparant aux données expérimentales d'échantillons physiques. Le comportement des matériaux des VERs est également comparé aux observations expérimentales.Pour augmenter l'efficacité de calcul de l'étude, un modèle de substitution basé sur un réseau neuronal est présenté. Ce modèle peut remplacer le problème aux valeurs limites à l'échelle micro dans une analyse multi-échelle. Les réseaux de neurones sont construits à l'aide de modules spécialement conçus pour prédire le comportement dépendant de l'histoire et sont appelés réseaux de neurones récurrents (RNN). Les modèles de substitution sont entrainés pour prendre en compte le caractère aléatoire du chargement que subit un matériau complexe lors d'une analyse de comportement d'un matériau. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In dieser Dissertation wird eine allgemeine zweiskalige Homogenisierungsmethode für große Deformationen entwickelt, welche die Trägheitskräfte der Mikroskala konsistent berücksichtigt. Die energetische Skalenkopplung der Methode basiert auf der erweiterten Hill-Mandel Bedingung für Makrohomogenität. Darüber hinaus wird die kinematische Skalenkopplung diskutiert und eine Volumenintegrals-Verschiebungsbedingung aufgezeigt, die eine allgemeine dynamische Betrachtung ermöglicht. Um einen effizienten Algorithmus zu gewährleisten, werden vier makroskopischen Tangenten-Module in geschlossener Form hergeleitet. Es werden zwei Rechenbeispiele genutzt, um allgemeine Eigenschaften der Methode zu analysieren. Dazu gehören das makroskopische Konvergenzverhalten und die Übereinstimmung mit einskaligen Referenzsimulationen. Des Weiteren wird der Einfluss der Verschiebungsbedingung und die Wahl der Einheitszelle als representatives Volumenelement auf die Antwort der Makroskale untersucht. Der Fokus der Arbeit wird im Anschluss auf die Modellierung hochduktiler Betone (Engl.: Strain-Hardening Cementitious Composites – SHCC) unter Stoßbelastung gelegt. Zunächst wird anhand von experimentellen Daten ein vereinfachtes Materialmodell kalibriert, welches das homogenisierte Faserauszugsverhalten repräsentiert. Danach wird dieses Faserauszugsmodell auf der Mikroskale eingesetzt und mit der vorgestellten Homogenisierungsmethode untersucht. Schließlich wird ein Split-Hopkinson-Bar Zugversuch numerisch repliziert. Dieser wird verwendet um die Funktionaltät der Methode aufzuzeigen, wie dynamische Effekte des Materials und der Struktur untersucht werden können. / A general numerical two-scale homogenization method for large strains is developed, which consistently takes into account inertia forces at the microscale. The energetic scale coupling of the framework is based on the extended Hill-Mandel condition of macro-homogeneity. Furthermore, kinematic scale links are discussed and a volume integral displacement constraint is proposed. To enable an efficient algorithm, closed form formulations of four macroscopic tangent moduli are derived. These consistently include the microscale inertia effects as well as the proposed displacement constraint. Two numerical examples are presented, a layered microstructure and a locally resonant material. These examples are used to analyze general properties of the presented framework, namely the macroscopic convergence behavior and the overall match with single-scale reference calculations. In addition, both the displacement constraint and the choice of unit cell as representative volume element are studied with respect to their influence on the macroscopic response. Subsequently, the thesis focuses on the modeling of strain-hardening cementitious composites under impact loading. First, a simplified material model representing the homogenized fiber pullout behavior is calibrated using experimental data. Then, this fiber pullout model is used at the microscale and studied using the proposed dynamic homogenization framework. Finally, a split Hopkinson bar tension test is numerically replicated and used to showcase the ability of the framework to thoroughly study the dynamic effects of the material and structure.

Les études de faisabilité concernant le stockage géologique profond des déchets radioactifs ont conduit un intérêt accru concernant la modélisation géomécanique de la roche hte. En France, une roche hte potentielle est l'argilite du Callovo-Oxfordien du site de Meuse/Haute Marne. Etant donné que le principe de stockage géologique profond repose fortement sur la capacité de confinement de la formation hte, sa faible perméabilité est d'une importance clé. La perméabilité étant dépendante de la microstructure du matériau et de son évolution sous chargement, le comportement couplé hydro-mécanique de l'argilite est important. En effet, des modifications mécaniques sont induites par le creusement de la galerie d'entreposage, générant une zone endommagée (EDZ), pouvant conduire une modification de la perméabilité dans le voisinage de la galerie. Dans les matériaux microstructure complexe comme l'argilite du Callovo-Oxfordien, le comportement macroscopique trouve son origine dans l'interaction des constituants micro-mécaniques. En plus du couplage entre le comportement hydraulique et mécanique, un couplage entre les échelles micro et macro existe. Par le biais de l'élaboration d'un cadre d'homogénéisation du couplage hydro-mécanique, une approche de modélisation deuxéchelles est développée dans ce travail, dans laquelle la relation constitutive macroscopique découle directement du comportement à l'échelle microscopique. Un modèle existant du couplage hydro-mécanique, reposant sur l'identification de grains et d'espaces poreux intergranulaires à l'échelle micro est adopté comme point de départ. Ce modèle repose sur une homogénéisation numérique du comportement à la petite échelle afin d'obtenir à l'échelle macroscopique la réponse en contrainte et de transport du fluide interstitiel. Ce modèle est basé sur un VER périodique qui permet de déduire le comportement macroscopique local de l'argilite. En réponse, en un point d'intégration macro donné, à un incrément de la déformation et du gradient de pression, la réponse du VER permet d'exprimer l'incrément de contrainte et de flux associé, constituant de fait un équivalent numérique de la relation constitutive. Les problèmes aux conditions limites macro et micro sont traités simultanément par la méthode élément fini. Pour obtenir les opérateurs tangents consistants à l'échelle macro, la méthode d'homogénéisation par condensation statique des opérateurs tangeants micro est étendu au cas avec couplage hydro-mécanique. L'implémentation du modèle double échelle et la mise en uvre des développements théoriques d'homogénéisation ont été effectués dans le code élément fini Lagamine (Université de Liège). Pour la modélisation de la localisation de la déformation à l'échelle macro, qui, dans un formalisme de milieu continu classique, souffre de la dépendance au maillage, l'approche double-échelle a été utilisée dans un formalisme de milieu enrichi de type milieu de second gradient pour matériau poreux saturé. Les capacités du modèle homogénéisé numériquement, utilisé dans un cadre de milieu de second gradient, sont ensuite démontrées par des simulations d'essais dométriques et d'essais de compression biaxiaux. L'approche se confirme être un moyen puissant pour modéliser l'anisotropie initiale et induite du comportement mécanique et du comportement hydraulique. Pour la modélisation du comportement de l'argilite du Callovo-Oxfordien, des VER sont construits en tenant compte des travaux de caractérisation de la géométrie des inclusions microscopiques et des résultats expérimentaux d'essais macroscopiques.La loi de comportement homogénéisée numériquement ainsi calibrée est utilisée dans des simulations de creusement de galerie jusqu'à des niveaux d'endommagement générant une localisation de la déformation.Ces calculs montrent à la fois la pertinence et l'applicabilité du concept double échelle pour l'évaluation du comportement hydromécanique des EDZ dans un contexte du stockage des déchets radioactifs. / Feasibility studies for deep geological radioactive waste disposal facilities have led to an increased interest in the geomechanical modelling of its host rock. In France, a potential host rock is the Callovo-Oxfordian claystone. The low permeability of this material is of key importance, as the principal of deep geological disposal strongly relies on the sealing capacity of the host formation. The permeability being coupled to the mechanical material state, hydromechanical coupled behaviour of the claystone becomes important when mechanical alterations are induced by gallery excavation in the so-called excavation damaged zone (EDZ). In materials with microstructure such as the Callovo-Oxfordian claystone [Robinet et al., 2012], the macroscopic behaviour has its origin in the interaction of its mi- cromechanical constituents. In addition to the coupling between hydraulic and mech- anical behaviour, a coupling between the micro (material microstructure) and macro will be made. By means of the development of a framework of computational homo- genization for hydromechanical coupling, a doublescale modelling approach is formu- lated, for which the macroscale constitutive relations are derived from the microscale by homogenization. An existing model for the modelling of hydromechanical coupling based on the distinct definition of grains and intergranular pore space [Frey, 2010] is adopted and modified to enable the application of first order computational homogenization for obtaining macroscale stress and fluid transport responses. This model is used to constitute a periodic representative elementary volume (REV) that allows the rep- resentation of the local macroscopic behaviour of the claystone. As a response to deformation loading, the behaviour of the REV represents the numerical equivalent of a constitutive relation at the macroscale. For the required consistent tangent operators, the framework of computational homogenization by static condensation [Kouznetsova et al., 2001] is extended to hy- dromechanical coupling. The theoretical developments of this extension are imple- mented in the finite element code Lagamine (Li` ege) as an independent constitutive relation. For the modelling of localization of deformation, which in classical FE meth- ods suffers from the well-known mesh dependency, the doublescale approach of hy- dromechanical coupling is combined with a local second gradient model [Collin et al., 2006] to control the internal length scale of localized deformation. By accepting the periodic boundary conditions as a regularization of the microscale deformation, the use of the multiscale model in combination with the local second gradient model can be used for modelling localization phenomena in HM-coupled settings with material softening. The modelling capacities of the approach are demonstrated by means of simula- tions of oedometer tests and biaxial compression tests. The approach is demonstrated to be a powerful way to model anisotropy in the mechanical as well as the hydraulic behaviour of the material both in the initial material state and as an effect of hy- dromechanical alterations. For the application to the modelling of Callovo-Oxfordian claystone, microstructural REVs are calibrated to geometrical characteristics of the inclusion that form the microstructure under consideration and to macroscale ex- perimental results of the mechanical behaviour. The calibrated constitutive relation is used in the simulation of gallery excavation processes. These computations give a proof of concept of the doublescale assessment of the hydromechanical behaviour of the excavation damaged zones around galleries in the context of nuclear waste disposal.

The macroscopic behavior of complex heterogeneous materials is strongly governed by the interactions between their elementary constituents within their microstructure. Beside experimental efforts characterizing the behaviors of such materials, there is growing interest, in view of the increasing computational power available, in building models representing their microstructural systems integrating the elementary behaviors of their constituents and their geometrical organization. While a large number of contributions on this aspect focus on the investigation of advanced physics in material parameter studies using rather simple geometries to represent the spatial organization of heterogeneities, few are dedicated to the exploration of the role of microstructural geometries by means of morphological parameter studies.<p>The critical ingredients of this second type of investigation are (I) the generation of sets of representative volume elements ( RVE ) describing the geometry of microstructures with a satisfying control on the morphology relevant to the material of interest and (II) the discretization of governing equations of a model representing the investigated physics on those RVEs domains. One possible reason for the under-representation of morphologically detailed RVEs in the related literature may be related to several issues associated with the geometrical complexity of the microstructures of considered materials in both of these steps. Based on this hypothesis, this work is aimed at bringing contributions to advanced techniques for the generation and discretization of microstructures of complex heterogeneous materials, focusing on geometrical issues. In particular, a special emphasis is put on the consistent geometrical representation of RVEs across generation and discretization methodologies and the accommodation of a quantitative control on specific morphological features characterizing the microstructures of the covered materials.<p>While several promising recent techniques are dedicated to the discretization of arbitrary complex geometries in numerical models, the literature on RVEs generation methodologies does not provide fully satisfying solutions for most of the cases. The general strategy in this work consisted in selecting a promising state-of-the-art discretization method and in designing improved RVE generation techniques with the concern of guaranteeing their seamless collaboration. The chosen discretization technique is a specific variation of the generalized / extended finite element method that accommodates the representation of arbitrary input geometries represented by level set functions. The RVE generation techniques were designed accordingly, using level set functions to define and manipulate the RVEs geometries. <p>The RVE methodologies developed are mostly morphologically motivated, incorporating governing parameters allowing the reproduction and the quantitative control of specific morphological features of the considered materials. These developments make an intensive use of distance fields and level set functions to handle the geometrical complexity of microstructures. Valuable improvements were brought to the RVE generation methodologies for several materials, namely granular and particle-based materials, coated and cemented geomaterials, polycrystalline materials, cellular materials and textile-based materials. RVEs produced using those developments have allowed extensive testing of the investigated discretization method, using complex microstructures in proof-of-concept studies involving the main ingredients of RVE-based morphological parameter studies of complex heterogeneous materials. In particular, the illustrated approach offers the possibility to address three crucial aspects of those kinds of studies: (I) to easily conduct simulations on a large number of RVEs covering a significant range of morphological variations for a material, (II) to use advanced constituent material behaviors and (III) to discretize large 3D RVEs. Based on those illustrations and the experience gained from their realization, the main strengths and limitations of the considered discretization methods were clearly identified. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished