Dans le cadre du projet collaboratif FUI "HyPlate", cette étude apporte une contribution originale dans la compréhension des mécanismes impliqués lors de l'assemblage d'une pile à combustible de type PEMFC, à l'aide de la mesure ou de la prédiction des déformations et des contraintes mécaniques dans le cœur de pile ou MEA. Basée sur une analyse multi-échelle, une approche duale expérimentale et prédictive a été menée, comprenant le développement non seulement de nouvelles méthodes de mesures expérimentales mais également un modèle numérique 3D, basé sur la méthode des éléments finis. Le couplage des différents résultats expérimentaux et simulés a permis de déterminer, dans un premier temps, le niveau de contraintes (ou de déformations) dans les différents composants du stack en fonction des conditions d'assemblage, et d'analyser, dans un second temps, l'influence de différents paramètres, tels que les propriétés des matériaux des plaques bipolaires, le nombre de cellules et leur position. Il a notamment été montré que la distribution des déformations dans le cœur de pile diminuait avec le nombre de cellules et au centre du stack. Des modifications sur le système de serrage de la pile ont alors été proposées afin d'améliorer l'homogénéité de l'état mécanique global. Des mesures de force in-situ ont alors permis de valider certaines propositions et d'analyser l'influence de deux modes de serrage, en contrainte ou déformation imposée, sur la performance électrochimique de la pile. / Within the context of the FUI project "HyPlate", this thesis bring an original contribution in the understanding of the mechanisms implied during the assembly of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), through the measurements and the predictions of the mechanical stresses and strains in the fuel cell core, also known as the MEA. Based on a multi-scale analysis, a double approach experimental and predictive was followed, including not only the development of new experimental measurement methods but also a 3D numerical model, based on the finite element method. The results gathered from these two studies allowed us to determine, in a first step, the stress (or strain) level within the different stack components according to the assembly conditions, and to analyze, in a second step, the influence of different parameters such as the bipolar plate mechanical properties, the number of cells and their position. It was notably shown that the MEA strain distribution decreased with the number of cells and at the center of the stack. Some modifications of the clamping system were proposed in order to enhance the global mechanical state homogeneity. In situ measurements of the clamping force allowed us to validate some propositions made and to analyze the influence of two clamping modes, implying a constant stress or strain, on the electrochemical performance of the fuel cell.

La conception sur-mesure de matériaux architecturés à l'échelle du milli/centimètre est une stratégie pour développer des matériaux de structure plus performants vis-à-vis de cahiers des charges multifonctionels. Ce travail de thèse s'intéresse en particulier à la conception optimale de panneaux architecturés périodiques, dans le but de combiner des exigences mécaniques de flexion et de cisaillement, ainsi que de conductivité thermique. Le comportement élastique peut être prédit grâce à l'identification sur la cellule périodique des coefficients de la matrice des souplesses équivalente. Ces calculs d'homogénéisation ont été mis en oeuvre par éléments finis pour estimer en particulier les souplesses en flexion et en cisaillement transverse. Après validation expérimentale, cette méthode de calcul constitue un outil d'évaluation des performances mécaniques pour chaque géométrie de cellule périodique (2D ou 3D). À titre d'exemple, et dans un contexte de développement de solutions matériaux architecturés pour l'automobile, la conception de tôles "texturées" est proposée en menant une étude paramétrique à l'aide de cet outil. L'implémentation d'un algorithme d'optimisation topologique couplé à la procédure d'homogénéisation permet d'enrichir les méthodes de conception sur-mesure en élargissant l'espace de recherche des "architectures". Après l'étude modèle du compromis entre flexion et cisaillement, le cas industriel d'un panneau sandwich isolant est traité. Dans ce cas, l'optimisation fournit plusieurs compromis prometteurs entre rigidité en cisaillement et isolation thermique. Ces géométries ont été réalisées et testées, et une nouvelle version améliorée du panneau sandwich a été sélectionnée. / The "material by design" strategy consists in tailoring architectured materials in order to fulfill multi-functional specifications. This PhD study focuses more specifically on designing architectured panels in regards with mechanical compliances (bending and transverse shear), as well as thermal conductivity. Recent advances on periodic homogenization of plates are integrated into a finite elements tool that enables to identify the Reissner-Mindlin effective compliance from the unit cell geometry. The comparison with four-point bending tests illustrates a discussion on the shear loading for homogenization, and its contribution to the global bending stiffness. In a context of architectured steel solutions for automotive, a parametric study is treated on "embossed" steel sheets using this homogenization tool. As a try to enlarge the space of available "architectures", a topological optimization algorithm (using the level-set method) is coupled to the homogenization procedure. The influence of each parameters of the method are studied on the optimization problem of compromising flexural and shear compliances. Finally, the industrial case of an insulation sandwich panel is treated. Few optimized geometries, with a high combination of shear stiffness and thermal insulation, are built, produced and tested. An improved design is highlighted and proposed as next version of this product.

Les matériaux architecturés font émerger de nouvelles possibilités en termes de propriétés structurales et fonctionnelles, repoussant ainsi les limites des cartes d'Ashby. Le terme "matériaux architecturés" inclus toute microstructure conçue de façon astucieuse, de sorte que certaines de ses propriétés soient optimisées. Les exemples sont nombreux : composites fibreux et particulaires, matériaux cellulaires, structures sandwiches, matériaux tissés, structures treillis, etc. Un enjeu de taille pour l'emploi de tels matériaux est la prédiction de leurs propriétés effectives. Dans ce travail, deux types de microstructures sont considérées : des structures auxétiques périodiques et des milieux fibreux aléatoires. Les auxétiques sont des matériaux apparus au milieu des années 1980, présentant un coefficient de Poisson négatif. On attend des auxétiques qu'ils présentent des propriétés mécaniques améliorées, comme le module de cisaillement ou la résistance à l'indentation. Les milieux fibreux aléatoires considérés dans ce travail sont constitués de fibres 3D infinies interpénétrantes aléatoirement distribuées et orientées. Ce type de structure aléatoire est très défavorable à la détermination d'une taille de volume élémentaire statistiquement représentatif. Pour les deux types de matériaux, l'homogénéisation numérique à l'aide de la méthode des éléments finis est implémentée dans le but d'estimer les propriétés thermiques et mécaniques effectives. / Architectured materials bring new possibilities in terms of structural and functional properties, filling gaps and pushing the boundaries of Ashby's materials maps. The term "architectured materials" encompasses any microstructure designed in a thoughtful fashion, so that some of its materials properties have been improved. There are many examples: particulate and fibrous composites, foams, sandwich structures, woven materials, lattice structures, etc. One engineering challenge is to predict the effective properties of such materials. In this work, two types of microstructures are considered: periodic auxetic lattices and stochastic fibrous networks. Auxetics are materials with negative Poisson's ratio that have been engineered since the mid-1980s. Such materials have been expected to present enhanced mechanical properties such as shear modulus or indentation resistance. The stochastic fibrous networks considered in this work is made of 3D infinite interpenetrating fibres that are randomly distributed and oriented. This case of random structure is challenging regarding the determination of a volume element size that is statistically representative. For both materials, computational homogenization using finite element analysis is implemented in order to estimate the effective thermal and mechanical properties.

L’objectif de ce travail est d’élaborer et de caractériser pour des applications biomédicalesun matériau auto-enchevêtré à base d’une seule fibre d’alliage à mémoire deforme de type Nickel-Titane. Nous avons optimisé un procédé de fabrication consistantà enchevêtrer et figer un ressort par des traitements thermiques. Les échantillonsont été caractérisés en compression et traction, avec suivi par caméra optique ettomographie in-situ. Les structures obtenues sont homogènes, isotropes, superélastiquesà température ambiante jusqu’à des déformations d’au moins 30%, et peuventdevenir ferroélastiques avec un effet mémoire d’au moins 16% par un traitement thermiqueadditionnel. Leur comportement en compression est consolidant puis dilatantet en traction, légèrement auxétique. Une comparaison avec des milieux similairesconstitués de fils ductiles et viscoélastiques, ainsi qu’avec des simulations par élémentsdiscrets sur des milieux élastiques sans frottement, montre que les propriétésmécaniques des structures auto-enchevêtrées sont contrôlées par leur architecturesingulière, à mi-chemin entre milieux continus et discrets. / The aim of this work is to process and characterize for biomedical applications,self-entangled structures made of a single NiTi shape memory fiber. We have optimizeda processing route consisting in entangling and shape-setting a spring bythermomechanical treatments. The samples were characterized in compression andtension, using optical and x-ray tomographic observations. The structures thus obtainedare homogeneous, isotropic, superelastic at room temperature up to strains ofat least 30%, and can become ferroelastic with a shape memory effect up to at least16% strain by an additional heat treatment. The mechanical behavior in compressionis first consolidating and then dilating, while in tension, the samples are slightlyauxetic. A comparison with similar media made of ductile and viscoelastic fibers,as well as with discrete element simulations on friction-free elastic fibers, show thatthe mechanical properties of these self-entangled structures are controlled by theirunique architecture, in-between continuous and discrete media.

L’objectif de ce travail est d’élaborer et de caractériser pour des applications biomédicalesun matériau auto-enchevêtré à base d’une seule fibre d’alliage à mémoire deforme de type Nickel-Titane. Nous avons optimisé un procédé de fabrication consistantà enchevêtrer et figer un ressort par des traitements thermiques. Les échantillonsont été caractérisés en compression et traction, avec suivi par caméra optique ettomographie in-situ. Les structures obtenues sont homogènes, isotropes, superélastiquesà température ambiante jusqu’à des déformations d’au moins 30%, et peuventdevenir ferroélastiques avec un effet mémoire d’au moins 16% par un traitement thermiqueadditionnel. Leur comportement en compression est consolidant puis dilatantet en traction, légèrement auxétique. Une comparaison avec des milieux similairesconstitués de fils ductiles et viscoélastiques, ainsi qu’avec des simulations par élémentsdiscrets sur des milieux élastiques sans frottement, montre que les propriétésmécaniques des structures auto-enchevêtrées sont contrôlées par leur architecturesingulière, à mi-chemin entre milieux continus et discrets. / The aim of this work is to process and characterize for biomedical applications,self-entangled structures made of a single NiTi shape memory fiber. We have optimizeda processing route consisting in entangling and shape-setting a spring bythermomechanical treatments. The samples were characterized in compression andtension, using optical and x-ray tomographic observations. The structures thus obtainedare homogeneous, isotropic, superelastic at room temperature up to strains ofat least 30%, and can become ferroelastic with a shape memory effect up to at least16% strain by an additional heat treatment. The mechanical behavior in compressionis first consolidating and then dilating, while in tension, the samples are slightlyauxetic. A comparison with similar media made of ductile and viscoelastic fibers,as well as with discrete element simulations on friction-free elastic fibers, show thatthe mechanical properties of these self-entangled structures are controlled by theirunique architecture, in-between continuous and discrete media.

Les alliages à mémoire de forme Nickel Titane sont des matériaux aux propriétés remarquablesdues à une transformation martensitique réversible et sont largement utiliséspar l’industrie biomédicale et dans des dispositifs de type actionneurs. La première partiede cette étude porte sur une analyse de leur comportement thermomécanique basée surla réalisation de mesures de champs cinématiques (par corrélation d’images visibles) etthermiques (par caméra infrarouge). Une part importante du travail présenté concernel’amélioration des calculs de sources de chaleur à partir des champs de température. Pource faire, les capacités et conductivités thermiques des phases austénitique et martensitiqueont été estimées par différentes méthodes expérimentales. Ensuite, la méthode de calcul desource a été validée sur des données virtuelles obtenues numériquement et sur des donnéesexpérimentales obtenues lors d’une transformation martensitique induite par un refroidissementnaturel. Cette première partie se conclut par l’application des développements àdes mesures réalisées lors d’un essai de cisaillement. La seconde partie est une contributionà la réalisation de matériaux architecturés constitués d’empilement de tubes de NiTi liésentre eux ; notre étude concerne la réalisation et la caractérisation de liaisons de tubes deNiTi par soudage résistif. / NiTi shape memory alloys have amazing properties due to a reversible martensitictransformation and are widely used by biomedical industries and as actuators. The firstpart of this study deals is a thermomechanical analysis of the material, based on kinematical(with digital image correlation) and thermal (with infrared camera) field measurements.An important part of this work deals with the improvement of the heat sources estimationfrom thermal fields. For this, thermal heat capacities and conductivities of austeniteand martensite were estimated with several experimental methods. Then, the heat sourceestimation method was validated from virtual data obtained numerically and from experimentaldata obtained during a martensitic transformation induced by natural cooling.This first part is concluded with the use of this technique to study shear tests. The secondpart of this study is a contribution to the realization of architectured materials composedof linked stacked tubes. Our study deals with the realization and the characterization ofthe NiTi link, realized by resistance welding.

<p>  </p> <p>Architectured materials offer engineers more options for choosing materials with their desired properties. Segmenting materials to create topological interlocking materials (TIMs) creates materials, which can deform in greater amounts without failure and absorb more strain energy. Previous research on TIMs has shown that the stiffness and reaction force of these materials can be directly controlled by controlling the boundary forces offered by the frame which constrains these materials.</p> <p>The research presented in this paper investigated a TIM made into a 1-Dimension beam like structure called a lintel. This research investigated not only the mechanics of this structure, but also developed a method of directly controlling the reaction force at a given displacement using shape memory alloy (SMA) wires. These wires would actuate the boundary pieces used to constrain the system. These actuation wires coupled with force sensors imbedded into the lintel allowed a feedback control loop to be established, which would control the reaction force. The reaction force was then controlled to create a smart structure which could optimize the strain energy absorption under the constraint of a maximum allowable load, similar to cellular solids used in packaging and padding materials.</p> <p>To develop this smart structure, four separate investigations occurred. The first was finite element analysis (FEA) performed to model the loading response of the lintel. This experiment demonstrated that the Mises Truss Model was effective at modelling the lintel. The second was an experimental validation of the FEA model performed in the first investigation. This experiment validated the Mises Truss Model for the lintel. The third investigation simulated the active lintel using computational software and the model of the lintel established in the first two investigations. This experiment demonstrated computationally the ability of SMA wires to control the reaction force as desired in an idealized case. The fourth and final investigation experimentally validated the ability to create and active lintel and created a functioning prototype. This demonstrated experimentally the ability of the active lintel to control reaction force as desired.</p> <p>This project has demonstrated the viability to create smart structures using segmented materials, which in the future may be used in a variety of applications including robotics and adaptive structures in harsh environments. </p>

Les matériaux architecturés attirent de plus en plus d’attentions de par leur capacité à combiner différentes propriétés ciblées. Dans ce contexte, les matériaux enchevêtrés, et plus particulièrement les matériaux monofilamentaires enchevêtrés, présentent des propriétés intéressantes en terme de légèreté, de ductilité, et de facteur de perte. En raison de l’architecture interne complexe de ces matériaux, leur caractérisation et la compréhension des mécanismes de déformation nécessitent une méthodologie adaptée. Dans cette étude, l’enchevêtrement est réalisé manuellement pour différents fils d’acier et soumis à une compression oedométrique. De manière à étudier le comportement sous charge de ce type de matériaux, un dispositif de compression uniaxiale guidée a été mis en place dans le tomographe. Il est ainsi possible de suivre, à l’aide de mesures quantitatives, la déformation de l’échantillon et l’évolution du nombre de contacts pour différentes fraction volumiques. L’utilisation de ces données microstructurales a permis un meilleure compréhension du comportement mécanique de tels enchevêtrements. Une rigidité pouvant varier de 20 à 200 MPa en fonction des paramètres de mise en forme (diamètre et forme du fil, fraction volumique, matériau constitutif) a été déterminé. Un matériau homogène de rigidité plus faible a pu être obtenu en pré-déformant le fil sous forme de ressort avant enchevêtrement. Le facteur de perte du matériau a ensuite été mesuré à la fois sous chargement statique et dynamique. L’analyse mécanique dynamique a mis en évidence la capacité de ce matériau à absorber de l’énergie avec une valeur de facteur de perte d’environ 0.25. Les propriétés mécaniques du matériau ont tout d’abord été modélisées analytiquement par un modèle de poutres et un bon accord avec les résultats expérimentaux a pu être obtenu en définissant un paramètre d’orientation equivalent, spécifique à la compression oedométrique de matériaux enchevêtrés. En parallèle, un modéle éléments discrets a été developé afin de simuler le comportement en compression de matériaux monofilamentaires enchevêtrés. Ce modèle s’appuie sur une discrétisation du fil en éléments sphériques, acquise à partir de données de tomographie. Bien que seul le comportement élastique du fil constitutif ait été pris en compte, une bonne adéquation entre résultats numériques et expérimentaux a été obtenu en ajustant les coefficients de frottement du modèle. / Playing with the architecture of a material is a clever way of tailoring its properties for multi-functional applications. A lot of research have been made, in the past few years, on what is now referred to as “architectured materials” (metal foams, entangled materials, steel wool, etc), mostly for their capacity to be engineered in order to present specific properties, inherent to their architecture. In this context, some studies have been carried out concerning entangled materials but only a few on monofilament entangled materials. Such a material, with no filament ends, could exhibit interesting properties for shock absorption, vibration damping and ductility. In this study, entanglements were manually produced, using different types of wire, and submitted to constrained (inside a PTFE die) in-situ compressive tests within the laboratory tomograph. This technique enabled a 3D, non destructive, microstructural characterization of the complex architecture of these materials, along with the analysis of their macroscopic mechanical properties. The stiffness of this material was found to be in a 20-200 MPa range and homogeneous samples could be obtained, while lowering their stiffness, by pre-deforming the initial wire as a spring. Damping measurements were performed using different types of entanglements (constitutive materials, volume fraction, wire diameter, wire shape) under both monotonic and dynamic loadings and directly linked to the measurements of the number of contacts. The Dynamic Mechanical Analysis underlined the great capacity of this material to absorb energy with a loss factor of about 0.25 and damping was found to decrease with the stiffness of the entanglement. The mechanical properties of this material were first modeled using an analytical “beam” model based on the experimental evolution of the mean distance between contacts and a good agreement was found with the experimental results. In parallel, a Discrete Element Method was used in order to model the compressive behaviour of Monofilament Entangled Materials. Although purely elastic properties were taken into account in the model, a very good agreement with the experimental results was obtained by adjusting the friction coefficients of the model. This tends to prove that the plasticity of these entangled materials is rather due to the structure (friction) than to the constitutive material itself.

L'utilisation de systèmes de stockage par chaleur latente constitue une solution permettant l'effacement du chauffage d'un bâtiment résidentiel pendant les périodes de forte demande. Une telle stratégie peut avoir pour objectif le lissage des pics d'appel en puissance du réseau électrique. Cependant, la faible conductivité des matériaux à changement de phase (MCP) qui constituent ces systèmes et le besoin d'une puissance de décharge importante imposent l'utilisation de matériaux dits "architecturés" afin d'optimiser la conductivité équivalente des matériaux stockeurs. Nos travaux s'intéressent plus particulièrement à la méthodologie pour la conception de matériaux pour ces systèmes afin de satisfaire aux exigences de stockage d'énergie et de puissance de restitution. La méthodologie proposée dans ces travaux de thèse est dénommé « Top-down methodology ». Cette méthodologie comporte trois échelles : l'échelle bâtiment (top), l'échelle système et l'échelle matériau (down). L'échelle bâtiment a comme objectif de spécifier le cahier des charges. A l'échelle système, des indicateurs de performance sont définis. Enfin, à l'échelle matériau, l'architecture du matériau solution est proposée. Un outil numérique modélisant le système de stockage par chaleur latente de type échangeur de chaleur air/MCP à été développé pour évaluer les indicateurs de performance. Ce modèle numérique est vérifié avec un cas analytique et validé par comparaison avec des données expérimentales. La méthodologie développée est mise en œuvre dans un deuxième cas d'étude pour le même type de système de stockage. L'analyse du système via les nombres adimensionnels permet d'obtenir des indicateurs de performance du système. A l'issue de cette étape, les propriétés matériaux et fonctionnelles optimales du système sont donc connues. Enfin, un matériau architecturé est alors proposé afin de satisfaire les exigences du système de stockage. Nous montrons alors que par l'intermédiaire d'une plaque sandwich contenant des clous et du MCP les propriétés matériaux nécessaires sont obtenues. De plus, afin de satisfaire aux exigences en termes de propriétés fonctionnelles, le design du système est modifié en ajoutant des ailettes sur les surfaces d'échange. Nous montrons que avec 20 ailettes de 3mm d'épaisseur sur la surface d'échange de la planche à clous, le chauffage est effacé pendant 2h lors de la période de forte demande journalière pendant l'hiver. / The use of energy storage systems that exploit latent heat represents a promising solution to erase the heating demand of residential buildings during periods of peak demand. Equipping a building with such components can contribute to the goal of peak shaving in terms of public electricity grid supply. Significant drawbacks, however, are the low thermal conductivity of Phase Change Materials (PCM) that typically constitute such systems,and the requirement for a high rate of discharge. Consequently, the use of so-called architectured materials has been put forward as a means to optimize the effective conductivity of storage materials. Our work is focused upon the development of a methodology to design optimal materials for such systems that meet the criteria of energy storage and energy output. A so-called “top-down metholodogy” was implemented for the present work. This approach includes three scales of interest: building (top), system and material (down). The aim of the building scale analysis is to formulate a set of general design requirements. These are complemented by performance indicators, which are defined at the scale of the system. Finally, at the scale of the material, the architecture of the identified material is elaborated. A numerical simulation tool was developed to determine performance indicators for a latent heat energy storage system comprising of an air/PCM heat exchanger. This model was tested against a benchmark analytical solution and validated though comparison to experimental data. The developed methodology is applied to the specific case of an air/PCM exchanger latent-heat energy storage system. The system is analysed through the study of dimensionless numbers, which provide a set of design indicators for the system. As a result of this stage, the optimal material and functional properties are thus identified. Finally, an architectured material is proposed that would satisfy the design requirements of the storage system. We demonstrate that an arrangement composed of a sandwich of planar layers with nails and PCM can offer the required material properties. Furthermore, in order to meet the desired functional properties, the system design is modified by the addition of fins at the exchange surfaces. With the addition of 20 fins of 3mm thickness attached to the exchange surface of the sandwich panel, the storage system eliminated the heating demand for 2 hours during the period of high daily demand in winter.