Dynamic honeycomb behaviour under mixed shear-compression loading and in-plane orientation cells effect
Comportement des structures en nids d'abeilles sous sollicitations dynamiques mixtes compression/cisaillement et effet de l'orientation des cellules
Résumé
Aluminium honeycombs combine lightweight with an efficient energy absorption capability (specific energy). They are widely used as crash energy absorbing and protective structures in a wide range of transport applications (automotive, aircraft …) to reduce energy consumption and greenhouse gas emission. Reducing vehicle mass has however to be done while at least maintaining the same safety levels. In this thesis, the honeycomb behaviour is investigated under mixed shear-compression loadings taking into account the combined effect of the in-plane orientation angle and the impact velocity, which has not been deeply investigated in the literature. Experimental study based on an improvement of a mixed shear-compression loading device is realised. Experimental analysis focuses on the initial peak and average crushing forces as well as the deforming pattern modes. Comparing quasi-static and dynamic results, a dynamic enhancement depending of the loading angle Ψ is observed under mixed shear-compression loading until a critical loading angle (Ψcritical). Beyond, a negative enhancement is observed. Thus, a numerical study is carried out. The negative enhancement phenomenon is attributed to the collapse mechanisms which are affected by the loading angle Ψ. Numerical results also highlight that the in-plane orientation angle has an effect on the collapse mechanisms and consequently on the mechanical response. This effect is more pronounced on the tangential force than the normal force. The combined effect of the in-plane orientation angle and the loading angle is analysed on the three identified deforming pattern modes. Combining numerical and experimental results, the average crushing normal and shear forces are dissociated. Therefore, the parameters of a macroscopic yield criterion for the mixed shear-compression honeycomb behaviour depending of the impact velocity, the loading angle and the in-plane orientation angle are identified. Finally, in order to optimise the cost in CPU-time of the numerical simulation, a reduced FE model based on the periodicity procedure taking into account the in-plane orientation angle is proposed and its validity range is evaluated.
Les nids d'abeille d’aluminium combinent légèreté et grande capacité d’absorption d'énergie. Ils sont alors de plus en plus utilisés dans les secteurs du transport (automobile, aéronautique …) pour contribuer conjointement à l’allègement structural et à la sécurité. Dans cette thèse, le comportement à l’écrasement des nids d'abeille est étudié en tenant compte de l'effet combiné de l'angle d'orientation dans le plan des cellules, de l’angle de chargement et de la vitesse de sollicitation, que la littérature ne relate pas. Un dispositif de chargement mixte compression/cisaillement est conçu pour mener l’étude expérimentale. L’analyse des résultats porte sur le pic initial d’effort, le plateau d’effort, ainsi que sur les modes de déformation. Les résultats montrent une augmentation de la résistance sous sollicitation dynamique dépendante de l’angle de chargement Ψ. Elle devient moins significative quand l’angle de chargement augmente jusqu’à atteindre un angle critique. Pour Ψ > Ψcritique, les réponses quasi-statiques sont même plus élevées que les réponses dynamiques. Une étude numérique est alors entreprise. Elle permet de comprendre ce phénomène qui est imputé aux mécanismes de déformation locaux des cellules. Les résultats numériques montrent également que l’effet de l’angle d’orientation □ dans le plan est plus prononcé sur la force tangentielle que sur la force normale, que cela influence également les modes d’effondrement et donc la réponse mécanique. Ces simulations numériques, couplées aux résultats expérimentaux, permettent alors de dissocier les composantes normale et tangentielle de la réponse des nids d’abeille et d’identifier les paramètres d'un critère macroscopique de résistance exprimé en fonction de la vitesse d'impact, de l'angle de chargement et de l'angle d'orientation dans le plan. Finalement, dans le but de réduire le coût des simulations numériques, un modèle élément fini (EF) réduit basé sur un critère de périodicité tenant compte de l'angle d'orientation dans le plan est proposé et son domaine de validité est évalué.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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