Matériaux et Structures Actifs 

 

Il s’agit de l’une des thématiques clés de l’Unité de Mécanique dans la mesure où, d’une part près de la moitié des chercheurs de l’unité travaille dans le cadre de cette thématique et d’autre part, cette thématique a permis d’initier plusieurs collaborations intergroupes  (MS et DFA), telles que la dynamique des matériaux à mémoire de forme et la récupération d’énergie.

Les matériaux actifs ont un comportement inhabituel par rapport aux matériaux « classiques ». Ils sont capables de modifier une ou plusieurs de leurs propriétés d'une manière contrôlée, sous l'action d'un ou de plusieurs stimuli extérieurs tels que la contrainte, la température, le champ électrique ou électromagnétique. Plusieurs industries s’intéressent à ces matériaux, c’est le cas notamment de l’industrie spatiale, aéronautique, automobile, et biomédicale.
 

Deux types de matériaux sont étudiés au sein du groupe MS:

1. Les matériaux à mémoire de forme (MMF) : ces matériaux peuvent présenter des déformations réversibles très importantes, au regard des déformations élastiques (pseudo-élasticité), ou des déformations permanentes qui disparaissent par simple élévation de température (effet mémoire de forme). Ce comportement, on le sait, est dû à un changement de phase solide-solide : la transformation martensitique. Nous développons, au sein du groupe MS une modélisation tridimensionnelle unifiée et complète pour dimensionner les structures en MMF. Complète parce qu'elle prend en compte l'ensemble des phénomènes (l'effet mémoire de forme, la pseudoélasticité, l'effet superthermique et l'effet mémoire double sens) ; unifiée puisque deux variables – la proportion volumique de la martensite et le tenseur de déformation associé à l'orientation de la martensite – suffisent pour décrire tous ces aspects dans un seul et même cadre. En outre, notre modélisation permet de décrire le comportement cyclique des MMF et ainsi de calculer l’état asymptotique d’une structure, état nécessaire à son dimensionnement à la fatigue. Il est également possible de prendre en compte d'éventuelles déformations plastiques lors du cyclage. La modélisation tient également en compte de l’effet du couplage thermomécanique responsable de la variation du comportement en fonction de la vitesse de chargement. Ceci permet d’étudier le comportement dynamique des MMF (en collaboration avec l’équipe DFA) ; des réponses dynamiques très intéressantes en fonction de l'amplitude du chargement telles que le doublement de période, les bifurcations et le chaos ont de ce fait été révélés. Par ailleurs, des études de régularisation et de stabilité de modèles standard pour les MMF sont réalisées. En particulier, des approches variationnelles des modèles des MMF et leur enrichissement par des théories à gradient (introduction des longueurs caractéristiques) sont réalisées.

 

Réponse pseudo-élastique cyclique d’un MMF

 

 

Dimensionnement d’un stent en MMF (Nitinol : NiTi) : isovaleurs des proportions de phase

 

 

 

2. Les Matériaux à Mémoire de Forme magnétiques : ce sont des matériaux multifonctionnels qui présentent une réponse dynamique meilleure que celle des MMF. Ils peuvent être utilisés comme actionneurs, amortisseurs ou récupérateurs d'énergie. Leur comportement s'explique par un couplage magnéto-mécanique. Leur modélisation nécessite une approche multiphysique et multi-échelle. L'originalité de nos travaux réside non seulement dans l'utilisation du même cadre théorique que celui utilisé pour les MMF mais également dans l'analyse de leur comportement dynamique, de leur comportement à la fatigue.

 

 

Essais magnéto-mécaniques bidimensionnels