This thesis presents a framework for a virtual laboratory for material testing, called Virlab. A virtual laboratory is an open and flexible environment that is used to simulate a set of experiments using a computer. It is beneficial and valuable for researcher and educators to simulate real problems and to conquer some challenges such as a weightless body. The virtual laboratory for material testing contributes both to the field of mechanics of materials and the field of software engineering. In the field of material mechanics Virlab can be used for material testing education and research. Students can rapidly investigate many experiments for materials and the difference between kinematics quantities and stress measures. Virlab also offers a convenient platform for researchers to investigate and test new constitutive equation and implement their new algorithms. Virlab also encourages unambiguous definitions of mechanics terms and principles. In the field of software engineering the contribution is to provide an example of the application of software engineering approaches to an important scientific computing problem. By showing the successful application of software engineer­ing methodologies for a virtual laboratory, it is hoped that software engineering ideas will spread to other scientific applications. In terms of software engineering methodologies, this thesis presents a component-based design for the virtual laboratory for material testing. In this thesis we conduct a commonality analysis for material testing, decompose the system into modules with the information hiding principle, provide an easy way to identify components from the module decompo­sition, and build the component-based system architecture. In this procedure we apply the concept of design through documentation at each stage. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

<p> This thesis presents a virtual material testing laboratory that is highly generic and flexible in terms of both the material behaviour and experiments that it supports. Generic and flexible material behaviour was accomplished via symbolic computation, generative programming techniques and an abstraction layer that effectively hides the material model specific portions of the numerical algorithms. To specify a given member of the family of material models a domain specific language (DSL) was created. A compiler, which uses the Maple computer algebra system, transforms the DSL into an abstract material class. Three different numerical algorithms, including a return map algorithm, are presented in the thesis to illustrate the advantage of the abstract material model. To accomplish the goal of generic and flexible experiments the finite element method was employed and an API that supports both load and displacement controlled experiments, as well as the capability for the experiments to modify their state over time, was developed. The virtual laboratory provides a family of material models with the following behaviours: elastic, viscous, shear-thinning, shear-thickening, strain hardening, viscoelastic, viscoplastic and plastic. As well, the developed framework, by using the Ruby programming language, provides support for a wide variety of programmable experiments, including: uniaxial, biaxial, multiaxial extension and compression, shear and triaxial. </p> / Thesis / Candidate in Philosophy

Ces travaux portent sur le développement d’un matériau virtuel pour la simulation et l’optimisation des matériaux à microstructure hétérogène, en particulier des composites à matrice céramique de nouvelle génération. Pour ce faire une modélisation du fil est mise en place, au travers d’une démarche intégrée qui prend en compte la complexité de la microstructure et de sa variabilité issues du procédé de fabrication. La démarche proposée repose sur deux étapes : i) la construction d’une morphologie synthétique du fil, basée sur l’étude de micrographies et ii) une méthode de simulation multiéchelle inspirée de la méthode des éléments finis généralisée. L’originalité de cette dernière provient de l’utilisation de motifs, sorte de situations physiques ou topologiques élémentaires, pour décrire à la fois la microstructure et la cinématique locale. La démarche est validée et appliquée à diverses sections de fil synthétiques 2D, pour lesquelles le choix des motifs est discuté. L’extension au traitement de tronçon 3D du fil, ainsi qu’à la simulation de la fissuration à l’aide d’une méthode discrète est discutée et des premiers éléments de réponse sont apportés. / The thesis work focus on the development of a virtual material for heterogeneous materials simulation and optimization, especially in the case of now generation of ceramic-matrix composites. To do that, a model at the scale of the yarn is built up, by using an integrated approach that account for the complexity of the microstructure and its variability arising from the manufacturing process. This approach is made of two steps: i) the construction of a synthetic yarn, using micrographics studies and ii) a multiscale approach based on the generalized finites elements method. The originality of that method come from the use of pattern, sort of typical physical or topological situation, that describe both the local structure and kinematic. The approach is validated and applied to various 2D cross-sections of synthetic yarns, for which the choice of patterns is discussed. Extension to 3D section of the yarn, together with the simulation of the fracture in a discrete manner, is discussed and first elements of answer are proposed.

Aujourd’hui, les matériaux composites sont très largement utilisés, notamment dans la réalisation de structures aéronautiques, grâce à leurs nombreux avantages fonctionnels. Leurs caractéristiques mécaniques spécifiques (propriétés/masse volumique) nettement supérieures à d’autres matériaux plus classiques, tels que l’acier ou l’aluminium et la réalisation de formes complexes, font de ces matériaux des candidats très compétitifs dans de nombreux secteurs au-delà de l’aéronautique. Toutefois, ces matériaux présentent à différentes échelles d’observation des sources de variabilité caractéristiques à chacune d’entre elles. Le procédé de fabrication des pièces ainsi que les propriétés des constituants élémentaires en sont les principaux responsables. Trois niveaux (ou échelles) d’observation sont usuellement considérés dans les matériaux composites : l’échelle microscopique (fibres et matrice), l’échelle mésoscopique (pli) et enfin l’échelle macroscopique (stratification de plis). Les sources de variabilité se propagent à travers les échelles et génèrent finalement des comportements mécaniques dispersés à l’échelle de la structure. La prise en considération de cette variabilité s’avère alors pertinente pour le concepteur, désireux d’obtenir un indicateur de la fiabilité du matériau ou de la structure composite qu’il conçoit. Pour cela, il est nécessaire de transférer à moindre coût de calcul cette variabilité dès l’échelle microscopique et jusqu’à l’échelle de la structure. La construction de lois de distribution des propriétés mécaniques équivalentes en fonction de la variabilité présente à chaque échelle est alors indispensable. L’objectif de ce travail de recherche a été d’élaborer des distributions du comportement homogénéisé du matériau à l’échelle des fibres et de la matrice en fonction de la variabilité existante à cette échelle. La réduction du temps de calcul nécessaire à leur obtention a été également visée. À partir d’une observation microscopique réalisée sur une coupe d’un CMO, la variabilité morphologique du milieu hétérogène a été caractérisée et six types différents de motifs d’arrangements de fibres regroupés en cellules ont ainsi été identifiés. Des cellules virtuelles, physiquement raisonnables, ont été générées et proposées pour établir des lois de distribution du comportement équivalent par type de cellule, en fonction des paramètres variables pertinents retenus à cette échelle. En ce qui concerne la réduction du temps de calcul nécessaire à l’élaboration de ces lois de distribution, une démarche reposant sur l’utilisation des réseaux de neurones a été proposée. Cette démarche a été illustrée sur une cellule de type 6 et pour un nombre de 1000 calculs EF de référence, afin d’apprécier la qualité de l’approximation ainsi que la diminution du temps de calcul. La réduction du temps de calcul s’est avérée significative. Le gain du temps a été d’environ 95 %. / Nowadays, composite materials are very widely used, notably in the domain of aeronautical structures, thanks to their numerous functional benefits. Their specific mechanical properties (properties/density) far superior to those of conventional materials, such as steel or aluminum and the realization of complex shapes, make these materials perfect candidates in many areas beyond aviation. However, these materials present at different observation scales sources of variability peculiar to each one. The manufacturing process and the properties of the elementary constituents are in fact the principal cause of these sources of variability. Three levels (or scales) of observation are usually considered regarding composite materials: the microscopic scale (fibers and matrix), the mesoscopic scale (ply) and finally the macroscopic scale (laminate material). The sources of variability propagate trough the scales and finally generate dispersed mechanical behaviors at the structure scale. Taking into consideration these sources is proved to be a relevant work by the designer, which in turn will allow him to calculate an indicator of the composite structure reliability that he is conceiving. To be able to do the latter work, it is necessary to transfer this variability at a lower computational cost from the microscopic level up to the structure scale. The construction of equivalent mechanical properties distributions according to the variability present at each scale is then essential. The objective of this research work was to build statistical distributions of the homogenized behavior of the material at the scale of fibers and matrix, according to the existing variability at this scale. Minimizing the computation time required for obtaining these distributions was another important objective. From a microscopic observation made on a section of a CMO, the morphological variability of the heterogeneous medium has been characterized and six different types of arrangements patterns of fibers grouped into cells have then been identified. Physically reasonable virtual cells have been developed and suggested, in order to build the equivalent behavior distribution by cell type, according to the relevant variables selected at this scale. Now, in order to minimize the computing time required for the creation of these distributions, an approach based on neural networks was proposed. This approach was used for a type 6 cell and for a number of 1000 FE calculations, in order to evaluate the quality of the approximation as well as the reduction of computation time. Hence, the reduction of the computation time was significant, at an approximate rate of 95 %.