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Thierry J. MASSART


coordonnées


Ecole polytechnique de Bruxelles
Thierry Jacques MASSART
tel 02 650 27 42, fax 02 650 27 89, Thierry.J.Massart@ulb.ac.be
Campus du Solbosch
CP194/02, avenue F.D. Roosevelt 50, 1050 Bruxelles



unités de recherche


Modélisation des Structures et des Matériaux [Structural and Material Computational Mechanics] (BATir - SMC)



projets


Développement d'un outil de dimensionnement pour produit multicouches nanométriques formable et durable sur base d'un microlaboratoire d'essai on chip [Design of nanoscale multilayered systems for forming applications based on a lab-on-chip testing methodology]
L'objectif de ce projet est de fournir un outil de dimensionnement pour un système multi-couches nanométrique. La partie expérimentale du projet consiste en la mise au point d'un microlaboratoire on chip (UCL), ainsi que d'une caractérisation de la cinétique de croissance de cavités submicroniques dans des films ultra-minces. Le projet comporte également une composante de modélisation afin de représenter la croissance de cavités et les effets de taille associés au moyen de formulations de plasticité à gradients. Ce projet est mené en partenariat avec le service 'Matière et Matériaux' de l'ULB (Prof. S. Godet), l'UCL (Thomas Pardoen ' IMAP) et l'ULg (A.M. Habraken). [The goal of this project is the set up of a design tool for multi-layered nanoscopic systems. An experimental approach consists in the manufacturing of lab-on-chip laboratories (at UCL), as well as a characterisation of cavity growth at submicron scales. The project also involves a modelling effort to simulate cavity growth and related size effects usgin strain gradient plasticity. This project is a partnership with the 'Chemicals and Materials' department of ULB (prof. S. Godet), UCL (Prof. Pardoen - IMAP Dept.) and ULg (Prof. A.M. Habraken).]

Miniaturisation de micromanipulateurs en caractérisant et modélisant des nanomatériaux [Miniaturization of micromanipulators by characterizing and modelling nanomaterials]
Le développement des N/MEMS (Nano/Micro ElectroMechanical Systems) fait l'objet de nombreuses recherches, de par leur apport dans divers domaines (capteurs et actionneurs pour les technologies de l'information, la médecine et de l'énergie). Le passage aux échelles micro- et nanométriques implique des modifications des procédés de fabrication des matériaux, ainsi que de leur modélisation. L'effort de recherche lié aux N/MEMS est centré sur la technologie du silicium et bénéficie des investissements importants réalisés durant les 40 dernières années. Les dispositifs comportant des pièces en contact et en mouvement basés sur le silicium sont handicapés par l'usure. Des composants cruciaux doivent présenter des dimensions de plus en plus petites, une masse faible et une résistance accrue à la corrosion et à la déformation. Ce projet a pour objectif d'étudier des approches de développement de N/MEMS basées sur des matériaux conventionnels (alliages métalliques, céramiques). Les N/MEMS formés de composants individuels doivent être assemblés, à la différence de dispositifs basés sur le silicium qui sont fabriqués sous forme de sous-unités complètes. Il est donc nécessaire d'aborder la conception de ces composants via une approche multidisciplinaire, basée sur les compétences de trois groupes de l'ULB: (1) la conception et la production de microcomposants (Prof. A. Delchambre), (2) la simulation du comportement des matériaux (Prof. Ph. Bouillard), et (3) les caractérisations et modifications de surfaces (Prof. M.-P. Delplancke). Afin de caractériser le comportement mécanique des nanomatériaux, des modèles seront développés pour différentes situations (dépôts mous sur substrats durs, dépôts durs sur substrats mous). Plusieurs outils seront développés pour les simulations de nano-indentation, dont (1) des formulations de plasticité à gradients et leur adaptation aux grandes déformations, (2) le traitement de contacts unilatéraux avec prise en compte du frottement. Ces outils seront utilisés pour étudier l'influence des revêtements sur les propriétés mécaniques et tribologiques des matériaux, en vue de coupler l'influence de la friction et l'usure des matériaux aux modèles ci-dessus. Les simulations seront alimentées par les résultats expérimentaux et le modèle final sera utilisé pour améliorer les couches expérimentales dans une phase ultérieure du projet. [The development of N/MEMS (Nano/Micro ElectroMechanical Systems) are the focus of an intense research activity, owing to their potential benefits in different fields (sensors and actuators for information technologies, health and energy sectors). Leaping to micro- and nanometric scales requires important changes in the manufacturing of materials, as well as in their modelling and design. The main emphasis of the current research effort in N/MEMS lies in silicon technology, which benefits from important investments made over the past 40 years. Devices built on silicon, and composed of parts in contact and relative motion, are adversely affected by wear. Crucial components require properties like ever smaller dimensions, low mass and increased resistance to corrosion and deformation. This project aims at studying alternate approaches to the N/MEMS development based on conventional materials (metal alloys, ceramics and polymers). The N/MEMS made of individual components have to be assembled, contrarily to silicon-based devices which are manufactured as entire subsystems. To meet those demands, it is necessary to adopt a multidisciplinary approach, relying on the expertise of three ULB groups skilled in (1) the design and production of microcomponents (MCFAO laboratory, Prof. A. Delchambre), (2) the simulation of materials behaviour (SMC, Prof. Ph. Bouillard), and (3) the characterization and modification of surfaces (SCI, Prof. M.-P. Delplancke). In order to characterize the mechanical behaviour of nanomaterials, various models will be investigated (soft deposits on hard substrata, hard cristalline or amorphous deposits on soft substrata, ...), each demanding a specific strategy. Moreover, various tools will be developed for simulating nanoindentation, among which (1) plasticity gradient models with intrinsic length scales and their large deformation adaptation, (2) computational contact mechanics potentially with frictional contact laws. These tools will be used to study the influence of coatings on the mechanical and tribological properties of materials with the aim of coupling the role of friction and material wear to the models developed previously. The simulations will be fed with experimental results, and the final model will be used to improve the experimental layers in a forthcoming phase of the project.]

Développement d'aciers laminés TRIP/TWIP à ultra-hautes performances pour applications automobiles [Development of highly performant TRIP/TWIP rolled steels for the automotive industry]
Une des réponses des sidérurgistes à la demande des constructeurs automobiles pour des aciers toujours plus performants a été le développement des aciers multiphasés à effet TRIP (TRansformation Induced Plasticity). Ces aciers atteignent des résistances de 800 MPa avec des allongements à rupture de 30%. Des découvertes récentes montrent qu'il devrait être possible de produire de tels aciers grâce à une exploitation plus efficace de l'effet TRIP et/ou en combinant cet effet avec un effet analogue désigné sous le vocable d'effet TWIP. De gros efforts se concentrent actuellement sur des aciers à base Fe-Mn avec une teneur en manganèse de l'ordre de 20%, manifestant ces phénomènes TRIP/TWIP. Ces aciers sont cependant encore loin d'avoir atteint le stade de production industrielle notamment en raison des difficultés de laminage liés à leur énorme taux de consolidation à froid. Le projet développera deux voies originales devant permettre la maîtrise de la stabilité, vis à vis des effets TRIP et TWIP, de l'austénite présente dans des tôles laminées. Ces voies concernent deux aciers dont les compositions sont sensiblement différentes : une nuance Fe-Mn (de composition typique des aciers ''TRIP/TWIP'') et une nuance Fe-C hypereutectoïde. Les étapes du projet correspondront aux étapes successives de la mise en oeuvre des aciers laminés (élaboration et laminage à chaud, laminage à froid, traitements thermiques, propriétés des produits, validation et transfert). L'aspect expérimental (simulations du laminage, traitements thermiques, caractérisations microstructurales, et essais macro- et micro-mécaniques) est mené au sein du laboratoire IMAP de l'UCL et du CRM. Parallèlement, un effort important sera porté à la modélisation des conséquences mécaniques des transformations martensitiques et du maclage mécanique afin de permettre une compréhension approfondie des interdépendances entre l'histoire thermomécanique et la microstructure, et entre la microstructure et les propriétés finales. La modélisation indiquera comment les mécanismes peuvent être activés ou inhibés en cours d'élaboration (en jouant sur la température par exemple). Ces modélisations seront basées sur des théories telles que la plasticité à gradient, la plasticité cristalline et l'homogénéisation. Cet aspect de la recherche est mené au sein des laboratoires MEMA de l'UCL et SMC de l'ULB. [Automotive manufacturers are constantly looking for more efficient steel products. This need stimulated steel manufacturers to develop multi-phase TRIP steels (TRansformation Induced Plasticity), which can sustain loads of up to 800 MPa with elongation up to 30%. It has been shown recently that it should be possible to produce such steel products by exploiting the TRIP effect more efficiently or combining this effect with the TWIP effect (Twinning Induced Plasticity). Much effort revolves currently around Fe-Mn steels with a Mn concentration of about 20% showing the TRIP/TWIP phenomena. These steels are however still far from an industrial production stage, particularly because of the difficulties during the cold rolling phase linked to their important hardening at these temperatures. The present project will develop two novel ways to control the stability of the austenite present in rolled products with respect to the TRIP and TWIP effects. These development paths concern two steels with significantly different compositions: a Fe-Mn composition (typical of ''TRIP/TWIP'' steels), and a Fe-C hypereutectoïde composition. The various phases of the project will match to the successive stages of the implementation of rolled steel products (production and hot rolling, cold rolling, thermal treatments, product properties, validation and transfer). The experimental side (rolling simulation, thermal treatments, microstructural characterisations, macro- and micromechanical tests) is performed at the UCL IMAP laboratory and the CRM. Concurrently, an important effort will be made in the modelling of the mechanical consequences of martensitic transformations and mechanical twinning in order to lead to a better understanding of the interaction between thermal history and microstructure, and between the microstructure and the final properties. The modelling will indicate how mechanisms can be activated of inhibited during production (for example by acting on the temperature). These simulations will be based on theories such as gradient plasticity, crystalline plasticity, and homogenisation. This aspect of the research is undertaken by the MEMA (UCL) and SMC (ULB) laboratories.]

Modélisation multi-échelles du comportement hygro-mécanique des matériaux hétérogènes quasi-fragiles avec prise en compte de la localisation de la fissuration [Computational homogenisation-based multi-scale modelling of the hygro-mechanical behaviour of quasi-brittle heterogeneous materials incorporating localisation of cracking]
L'objectif de ce projet est de développer les techniques de représentation numérique multi-échelles pour traiter les couplages des phénomènes d'endommagement et de rupture avec le transport d'humidité dans les matériaux hétérogènes. La formulation de lois constitutives pour de tels couplages est complexe, et mène à des formulations dont les nombreux paramètres requièrent des procédures d'identification coûteuses. Afin de traiter des problèmes macroscopiques ou pour identifier des lois macroscopiques, les méthodes numériques multi-échelles développées récemment deviennent une alternative crédible. De telles méthodes ont été étendues récemment pour traiter la rupture de matériaux quasi-fragiles, notamment par le candidat. L'objectif de ce projet est l'extension de ces méthodes multi-échelles pour coupler la rupture à d'autres physiques, en commençant par les couplages hygro-mécaniques. La stratégie adoptée est d'utiliser des méthodes de type FE², dans lesquelles le comportement matériel macroscopique est évalué en cours de calcul sur la base de calculs numériques sur des éléments de volume représentatifs (EVR) incorporant les détails microstructuraux. Deux développements originaux seront nécessaires pour remplir cet objectif. D'une part, une méthode FE² couplée pour des couplages hygro-mécaniques sera définie. Elle consistera en la sélection d'une formulation couplant l'endommagement et le transport d'humidité à l'échelle fine. Elle sera complétée par la formulation d'une transition d'échelles pour le transport d'humidité dans le cas non localisé (avant instabilité macroscopic de la fissuration), appliquant des gradients de pression moyens sur les EVRs, et calculant numériquement les flux correspondants. D'autre part, le modèle sera étendu en incorporant les effets de la fissuration macroscopique (par une méthode de type XFEM) en couplant ceux-ci au transport préférentiel de fluide dans les fissures macroscopique et leur effet sur les calculs microstructuraux. Ce projet fait l'objet d'une collaboration avec le prof. A.P.S. Selvadurai de l'université McGill (Montréal-Canada) [The goal of the project is to develop a computational homogenisation-based multi-scale framework incorporating the coupling between mechanical damage and fracture processes and moisture transport in heterogeneous materials. The formulation of coupled continuum constitutive laws is difficult, and when possible leads to numerous material parameters with costly identification procedures. In order to treat large-scale problems or identify macroscopic mechanical laws, multi-scale computational methods have emerged over the last decade as a viable alternative, complementary to the formulation of closed-form laws. Multi-scale or coarse graining computational methods have recently been extended to treat mechanical failure of quasi-brittle materials, among others by the applicant. The purpose of the project is a first attempt at extending these techniques to model multi-scale failure coupled to other physical problems, starting with the hygromechanical coupling. The strategy is to adapt FE² modelling techniques, which are based on the on-line identification of the macroscopic material response from numerical computations on representative volume elements (RVEs) incorporating fine-scale details. The project will involve two original developments. First, a coupled FE² computational staggered scheme for hygro-mechanical couplings will be developed. This will consist of the selection of a description coupling material degradation (cracking) and hygral transport at the fine scale. This will be complemented by a scale transition for moisture transport for the non localised case (i.e. before macroscopic unstable cracking is reached), applying average pressure gradients on RVEs, and retrieving the corresponding computed fluxes. Secondly, the framework will be extended to macroscopically localised coupled behaviour by incorporating the effects of localisation of macroscopic cracking (through XFEM) and by coupling them to the related preferential macroscopic moisture transport. This project is supported by a collaboration with prof. A.P.S. Selvadurai (McGill University - Canada).]

Modélisation multi-échelles adaptative de la rupture quasi-fragile par méthodes numériques semi-discrètes pour les géomatériaux. [Multi-scale adaptive modelling of quasi-brittle fracture using semi-discrete numerical approaches for geomaterials.]
La compréhension et la prédiction de l'endommagement par fissuration des géomatériaux quasi-fragiles est d'un intérêt primordial dans le domaine du génie civil au sens large. La rupture est un phénomène qui, tout en déterminant leur comportement macroscopique, est amorcé aux échelles les plus fines de la microstructure des matériaux. La plupart des formulations numériques utilisant des lois constitutives restent toutefois limitées soit par leurs hypothèses simplificatrices (géneralisation multi-physiques difficile), soit par leur complexité et leur coût. L'objectif de la présente proposition est de remédier à ces inconvénients par le développement d'une technique multi-échelles semi-discrète de représentation de la fissuration dans les matériaux quasi-fragiles. Elle consiste en un couplage des techniques de transition d'échelles avec une représentation discrète de l'équilibre structural. Ce couplage vise à diminuer la complexité des calculs multi-échelles en tirant parti du caractère discret des transitions d'échelles, et permet d'autre part d'envisager l'adaptation naturelle de l'échelle de représentation en fonction de la progression de la fissuration. Le schéma développé sera tout d'abord appliqué à des matériaux à microstructure périodique (maçonneries), ensuite il sera étendu à la rupture de matériaux à microstructure non périodique (béton). Ce nouveau schéma numérique peut trouver de nombreuses applications dans différents domaines. Dans le domaine de génie civil il permettra d'élargir les techniques multi-échelles à la rupture d'une plus large gamme de matériaux. [To be implement later ]

Etude de comportements multi-physiques couplés dans les sols par une approche expérimentale et numérique multi-échelles [Analysis of coupled multi-physical behaviour of soils using a multi-scale experimental and computational approach]
Les géomatériaux sont caractérisés par des comportements complexes résultant des différents processus physiques qui s'y développent (mécanique, hydraulique, thermique, chimique). L'étude de leur comportement passe par des campagnes expérimentales qui peuvent s'avérer complexes et coûteuses par le fait même des différents processus qu'il faut maîtriser. Dans le cadre de ce projet, nous proposons de coupler des techniques d'homogénéisation numérique à des méthodes de caractérisation expérimentale pour des situations caractéristiques de mécanique des sols dans lesquelles les couplages multi-physiques sont présents. Cette approche a pour objectif de montrer que la combinaison de techniques numériques et expérimentales permet des gains substantiels dans la compréhension et la caractérisation du comportement de ce type de matériau. Elle se focalisera sur un problème physique, pour lesquels l'ULB a développé une expertise, à savoir le comportement chémo-mécanique de sols traités à la chaux (en particulier un limon) pour lequel le travail consiste à montrer comment l'évolution microstructurale du matériau explique l'augmentation des propriétés mécaniques macroscopiques (modules, cohésion, angle de frottement) en fonction des quantités de chaux consommées. Le projet inclut un partenariat avec l'ULg (Dr. F. Collin), qui se focalisera sur l'étude du comportement hydro-mécanique de l'argile, montrant comment l'eau, présente dans les pores à l'échelle de la microstructure, influence le comportement global de l'argile à l'échelle macroscopique. [Geomaterials are characterised by complex behaviours resulting from the various processes they involve (mechanical, hygral, thermal and chemical processes). The study of their behaviour requires complex and costly experimental characterisation campaigns as a result of these various processes. Within this project, computational homogenisation techniques will be combined with experimental characterisation for typical situations of soil mechanics in which physical couplings are present. This approach aims at showing that such a combined experimental-computational approach allows substantial gains in the understanding and characterisation of the behaviour of such materials. It will be focused on a physical problem for which ULB developed a previous expertise, i.e. the chemo-mechanical behaviour of lime treated soils. The work will consist in showing how the microstructural evolution of the material is related to the improvement of its macroscopic mechanical properties (Modulus, Cohesion, friction angle) as a function of the advancement of the chemical reaction. The project includes a collaboration with ULg (Dr. F. Collin), who will focus on the coupled hygro-mechanical behaviour of clay, showing how water present in the microstructure (at the pore level) impacts the global clay behaviour at the macroscopic scale. ]

Méthodes multi-échelles pour les corps orientés et influence de l'incertitude sur les paramètres mécaniques dans le cas de calculs non linéaires [Multi-scale method for oriented media and influence of the uncertainty on the mechanical parameters in the case of non linear problems]
Le but d'une approche multi-échelles est de représenter des microstructures hétérogènes complexes par une description de type milieu continu équivalente. Le comportement matériel macroscopique est déduit numériquement à partir des lois constitutives des différents constituants. Actuellement, les méthodes multi-échelles sont développées dans le cas de structures planes. Afin d'étudier la stabilité (modes de ruine) des murs de maçonnerie et des matériaux composites, il est indispensable de prendre en compte les effets flexionnels dans de telles méthodes. L'introduction d'une variabilité des caractéristiques mécaniques à l'échelle microscopique permet d'obtenir une meilleure objectivité des résultats (modes de ruine) et donc de l'estimation de la capacité portante [The purpose of a multi-scale approach is to represent complex heterogeneous microstructures by an equivalent continuum description. The macroscopic material behaviour is numerically computed from the constitutive laws of the different components. The multi-scale methods are currently developed in the case of plane structures. In order to study the stability (failure modes) of masonry walls and composite materials, it is needed to take into account the flexural effects in such methods. The introduction of the variability of the mechanical parameters at the microscopic scale allows for improving the objectivity of the results (failure modes). ________________________________________ ]

Simulation de l'effondrement en cascade des constructions avec prise en compte des effets dynamiques dans les structures en béton armé [Modelling of the progressive collapse of structures taking dynamic effects into account in RC structures]
Le respect de l'intégrité des constructions a toujours été une préoccupation majeure des ingénieurs chargés de leur conception. Parmi les critères de conception, le phénomène appelé 'effondrement progressif' est une situation dans laquelle un ou plusieurs éléments de la structure se romp(en)t brutalement, soit parce que sa capacité portante était insuffisante, soit parce qu'il a été soumis à des actions accidentelles, soit parce qu'il présentait un défaut. Les charges se redistribuent alors dans la structure, provoquant des mises en charge des éléments structuraux adjacents non prévues à la conception. La rupture peut alors se propager de proche en proche jusqu'à affecter une partie importante voire la totalité de l'ouvrage. Différents codes sont disponibles actuellement. Malheureusement, les hypothèses de base ainsi que les approximations simplificatrices sur lesquelles les procédures sont basées ne sont rarement, voire jamais, justifiées. Le but principal de la présente recherche est de concevoir un outil de calcul permettant de simuler le phénomène d'effondrement progressif afin de comparer et de valider les méthodes existantes à ce jour. Une approche multi-échelles sera utilisée afin de permettre l'utilisation de lois de comportement détaillée du béton dans des calculs structuraux d'ossatures. Le caractère dynamique sera pris en compte ainsi que les effets de la vitesse de mise en charge sur le comportement du béton [Numerous criteria have to be taken into account in the design of structures. Among these criteria, the progressive collapse phenomenon is a situation in which one or a few structural elements fail unexpectedly (because of a wrong design or due to accidental loads). The loads are then redistributed within the structure, potentially causing the failure of adjacent elements because of unexpected load increases. The failure of elements can then 'propagate', causing the global failure of the structure. Various codes start nowadays to be available, but the consequences of their main simplifying assumptions are rarely assessed. The objective of the research is to set up a modelling tool allowing simulating progressive collapse and therefore assess the existing design methodologies. A multi-scale approach will be used in order to allow the use of detailed constitutive laws for concrete in structural frame computations. The dynamic nature of the phenomenon will be taken into account, as well as the rate dependency of concrete]

Modélisation des structures en appareils de maçonnerie en vue de leur restauration [Modelling of masonry structures for restoration purposes]
L'objectif du projet est de développer un code utilisant les outils de calculs non linéaires pour représenter le comportement fissurant des maçonneries dans les édifices hostoriques. Le comportement fissurant est représenté par la mécanique de l'endommagement. Les développements sont testés sur des cas emblématiques de structures hostoriques (Eglises, ...). [The project develops a non linear finite element code for the modelling of the cracking behaviour of masonry in ancient structures. The cracking behaviour of masonry is represented by damage mechanics principles. The developments are tested against practical cases including typical structures (Churches, ...).]

Approche combinée expérimentale-numérique de la plasticité aux échelles submicroniques avec effets de confinement et d'interfaces [Small scale plasticity with confinement and interfacial effects: a combined experimental-computational approach]
Ce projet se base sur les effets de taille observés dans les matériaux métalliques, c'est-à-dire le fait que leur résistance est fortement améliorée lorsque leur taille caractéristique microstructurale est diminuée jusqu'aux échelles nanométriques, ou lorsque la taille des objets considérés est de l'ordre du micromètre. A cette échelle, les interfaces (joints de grains ou de phases) et leurs propriétés jouent en effet un rôle crucial, car elle contrôlent le confinement des événements plastiques. Ce projet se focalisera sur les effets du confinement spatial des trois modes de déformation les plus courant : le glissement des dislocations, le mâclage mécanique et les transformation martensitiques induites mécaniquement. Le projet est basé sur les synergies entre des modélisations phénoménologiques à base physique utilisant les formulations de plasticité à gradients aux échelles les plus hautes d'une part, et une caractérisation mécanique systématique de systèmes et de matériaux aux échelles micro- et nano-métriques d'autre part. L'objectif global est d'enrichir les modèles phénoménologiques existants avec une description motivées physiquement des conditions de confinement et de leur évolution. Ces dernières seront déterminées expérimentalement sur une série de systèmes modèles dont la microstructure présente différents mécanismes de déformation et différentes propriétés d'interfaces. L'approche expérimentale sera multi-échelles et basée sur une caractérisation cristallographique des microstructures déformées. Ceci permettra la détermination de valeurs moyennes de gradients de déformation en fonction des paramètres microstructuraux en utilisant des tests mécaniques 'macroscopiques'. A l'échelle fine, l'attention sera portée à la caractérisation des mécanismes de déformation fondamentaux par des tests micromécaniques. La stratégie de test est organisée de manière à ce que les effets de taille apparaissent de la manière la plus découplée possible, en forçant des situations dans lesquelles l'un d'entre est dominant. Les contributions respectives à l'endurcissement des gradients de déformation imposés par les conditions de chargement (gradients extrinsèques) et par les caractéristiques microstructurales (gradients intrinsèques causés par les joints de grains ou les désorientations cristallographiques) seront analysées par des modèles de milieux continus enrichis. [The project is based on the well-known size effect exhibited by metals, i.e the fact that their strengths are greatly enhanced when at least one microstructural lengthscale is scaled down to the nanometer range or when the size of the object is restricted to the micron or sub-micron range. At these scales the interfaces and their associated properties play a significant role. Indeed, they dictate the confinement of the plastic events. This proposal focuses on the effect of spatial confinement on the three most common deformation mechanisms: dislocation glide, mechanical twinning and mechanically-induced martensitic phase transformations. This research project is based on the synergies between physically-based phenomenological modelling using strain-gradient plasticity at the highest scale, and thorough experimental characterisation of the micro and nano-mechanics of model materials and systems. The general aim of the work is to enrich the existing phenomenological models with a physically-based description of the confinement conditions and their evolutions. These will be determined experimentally on a number of model systems exhibiting various deformation mechanisms and different properties of the interfaces present within the structure. The experimental approach will be multi-scale and based on a thorough crystallographic characterization of the deformed microstructures. Indeed, at the higher scale, it will allow the determination of averaged values of the strain gradients as a function of microstructural parameters using macroscopic mechanical tests, and, at the lower scale, it will focus on the characterisation of the fundamental deformation processes using micromechanical testing. In order to reach our objectives, the testing strategy is organised such that the different size effects appearing are as uncoupled as possible, by triggering situations in which one of them is dominant. The respective contribution to hardening of the strain gradients imposed from the loading conditions (extrinsic strain gradients) or from the microstructural features (intrinsic strain gradients, i.e., grain boundaries, crystallographic orientations) will be analysed using continuum-based models. ]

Modélisation multi-échelles de la localisation plastique dans les matériaux irradiés par incorporation de plasticité cristalline à gradients [Multi-scale modelling of plastic localisation effects in irradiated metals based on crystal gradient plasticity]
Le facteur principal limitant la durée de vie des aciers structuraux dans les centrales nucléaires est leur exposition à des flux massifs de neutrons ; qui pénètrent la matière aisément, et par des collisions avec des atomes, qui produisent des défauts dans les matériaux cristallins. Leur accumulation et leurs interactions avec la microstructure pré-existante modifient radicalement les propriétés mécaniques des matériaux. Dans les métaux, les défauts ainsi créés agissent comme des obstacles au mouvement et à la création de dislocations, augmentant la dureté et diminuant la ductilité des matériaux irradiés. L'apparition de 'bandes claires' (régions allongées dépourvues de défauts d'irradiation) accompagne ces effets à des doses suffisamment importantes de neutrons. Ce projet a pour but d'analyser la relation entre ces évolutions microstructurales et les changements de comportement macroscopique associés en termes de localisation plastique dans les matériaux irradiés. Etant donné que des simulations atomistiques sont requises pour la compréhension de tels phénomènes, celle-ci sera combinée à une formulation de plasticité cristalline à gradients à l'échelle des grains. Le comportement de grains sera homogénéisé pour nourrir une description multi-échelles. La capacité des modèles phénoménologiques à représenter les effets mécaniques de l'irradiation sera analysée à partir de descriptions microstructurales des bandes claires postulées a priori. Les développements consisteront en (i) l'adaptation de théories de plasticité à gradients pour modéliser la présence d'obstacles au glissement des dislocations dans les bandes claires, (ii) la description de l'apparition et de la présence des bandes claires, et l'identification des configurations microstructurales menant à la localisation macroscopique, et (iii) l'utilisation de la représentation à l'échelle du grain dans une boucle multi-échelles de type FE² pour représenter la localisation plastique à l'échelle macroscopique. Ce projet est mené en collaboration avec le centre SCK-CEN (Dr. L. Malerba) [The main factor limiting the lifetime of structural steels for nuclear power plants is their exposure to massive fluxes of neutrons. These particles penetrate matter easily and, by colliding with atoms, produce defects in crystalline materials. The accumulation and interaction of such defects with the pre-existing microstructure, radically alter the mechanical properties of the materials. In metals such defects act as obstacles for dislocation motion and creation, thus increasing hardness and reducing ductility of irradiated materials. The appearance of so-called clear bands (elongated regions free of radiation defects) almost invariably accompanies the decrease in macroscopic ductility at sufficiently high neutron dose. The objective of the project consists in bringing additional knowledge on the relationship between microstructural evolution and macroscopic properties changes in terms of plastic localisation in irradiated metals. Since much understanding of such phenomena comes from atomistic simulations, the insight gained from such tools will be combined with a gradient crystal plasticity framework at the scale of individual grains, thus applying a multiscale approach. The grain size behaviour will be upscaled towards the macroscopic behaviour to model a tensile test. The ability of phenomenological models to represent the mechanical effects of irradiation will be investigated based on a priori postulated microstructural descriptions of the clear bands. The developments will consist in: (i) adapting gradient plasticity to model the proper type of materials in the presence of obstacles for dislocation glide (clear bands vs grain boundaries), (ii) choosing a proper description for the appearance and presence of clear bands, and identifying microstructural configurations in which the conditions for macroscopic localisation are met, and (iii) using the grain scale descriptions within a multilevel FE scheme allowing to incorporate macroscopic plastic localisation. This project is organised in collaboration with SCK-CEN (Dr. L. Malerba) ]

Développement de méthodes numériques multi-échelles pour la rupture quasi-fragile des géomatériaux et pour la prise en compte d'incertitudes dans leur comportement mécanique [Development of computational multi-scale frameworks for the failure behaviour of quasi-brittle geomaterials and for the incorporation of uncertainties in their mechanical behaviour]
Ce mandat d'impulsion vise le développement de méthodes efficaces et objectives de calculs multi-échelles pour le comportement à la rupture de structures et de matériaux quasi-fragiles. Des méthodes de calcul récentes utilisent des modèles dans lesquels plusieurs échelles de représentations sont prises en compte via l'utilisation de schémas d'homogénéisation. L'utilisation de ces approches pour la rupture reste coûteuse en raison de l'importance des calculs qu'elles supposent et de leur complexité. Pour adapter ces techniques à la représentation de la rupture, il est proposé de travailler sur deux développements fondamentaux indispensables. Le premier objectif du projet est de développer une stratégie de calcul adaptative combinant l'homogénéisation numérique et un modèle macroscopique discret. Cette partie du travail permettra d'introduire une notion de sélectivité dans les calculs pour diminuer leur coût, et de simplifier les méthodes actuelles qui restent très complexes malgré leurs résultats préliminaires prometteurs. Elle s'attachera également à s'affranchir d'hypothèses contraignantes des calculs multi-échelles actuels, telle que par exemple la périodicité supposée des réponses microstructurales. Le deuxième objectif est de rendre les techniques d'homogénéisation plus objectives en permettant une évaluation numérique des dispersions sur des propriétés mécaniques macroscopiques sur la base des dispersions postulées pour chacun des constituants d'une microstructure donnée. [This scientific impulsion grant aims at developing effective and objective computational multi-scale methods for the mechanical failure behaviour of quasi-brittle materials. Recent computational schemes, known as FE², use simultaneously several scales of representation in conjunction with homogenisation schemes. The use of such techniques remains costly because of their huge computational cost and their complexity. Adaptations are needed to apply these methods for failure modelling. Two fundamental developments are required and are the subject of this research. The first part of the project consists in developing an adaptive multi-scale strategy combining computational homogenisation with a macroscopic discrete description of equilibrium. This part of the research will allow introducing selectivity in the computations in order to decrease their cost, and to simplify these methodologies which remain rather complex in spite of their promising results. Some additional constraining features of current frameworks such as periodicity will also be questioned in this part of the work. The second fundamental development is to make multi-scale computations more objective by allowing the evaluation of macroscopic properties scattering of a material based on scattering postulated (or observed) at the scale of its constituents.]

Modélisation multi-échelles semi-discrète de la rupture quasi-fragile [Semi-discrete multi-scale modelling of quasi-brittle fracture]
Le projet concerne le développement d'une méthode de calcul numérique multi-échelles adaptative pour la représentation de la rupture de structures et de matériaux quasi-fragiles. L'objectif est de construire un lien entre une description classique de type milieu continu à l'échelle fine et une description discrète à l'échelle structurale (nuage de points), permettant de tirer parti du caractère discret des transitions d'échelles pour diminuer la complexité et le coût des calculs. [The project deals with the development of adaptive multiscale methods for the computational modelling of the failure of quasi-brittle structures and materials. The objective is to build a link between a continuum fine scale description and a discrete structural scale description under the shape of a cloud of points, allowing to exploit the discrete nature of the scale transition operators to decrease the complexity and the cost of multiscale computations.]

Modélisation multi-échelles du comportement hygro-mécanique des matériaux hétérogènes quasi-fragiles [Computational homogenisation-based multi-scale modelling of the hygro-mechanical behaviour of quasi-brittle heterogeneous materials]
Ces projets concernent le développement de méthodes de calcul numérique multi-échelles pour la représentation de couplages multi-physiques dans les géomatériaux. Les développements sont relatifs notamment à l'altération des propriétés de perméabilité de tels matériau (roches, béton, ...) par suite de fissuration [These projects develop computational multiscale methodologies for the modelling of multi-physical couplings in geomaterials. The objectives are concerned among others with the permeability evolution in such materials (rocks, concrete, ...) as a result of cracking.]

Introduction de variabilités matérielles dans la modélisation multi-échelles du comportement des matériaux hétérogènes quasi-fragiles [Material scattering in the multi-scale modelling of the mechanical behaviour of quasi-brittle heterogeneous materials]
Les propriétés matérielles de résistance des matériaux quasi-fragiles présentent des variabilités très importantes. Ces variabilités à l'échelle macroscopique sont conditionnées par les processus de dégradations microstructuraux, dont certains présentent des variabilités plus fortes que d'autres. Cette thématique de recherche a pour objectif de mettre au point des méthodes de simulation permettant d'introduire de telles variabilités dans des techniques de calcul multi-échelles. [The strength properties of quasi-brittle materials often present an important scattering. This scattering at the macroscopic scale is intimately linked to microstructural degradation processes, each of them presenting different levels of scattering. The aim of this reasearch project is to develop modelling techniques allowing the introduction of this scattering in a multi-scale computational context.]

Modélisation du comportement des géomatériaux au moyen de techniques de discrétisation XFEM [Modelling of the behaviour of geomaterials by means of enhanced XFEM discretisation techniques]
La simulation numérique du comportement de matériaux hétérogènes à morphologies complexes (sols, roches, ...) requiert des techniques de simulation adaptées. L'objectif de ce projet est d'exploiter des techniques de discrétisation XFEM permettant de découpler le maillage éléments finis des frontières matérielles entre phases au sein de ce type de microstructure. [The computational modelling of thehaviour of heterogeneous materials with complex morphologies (soils, rocks) requires adapted discretisation techniques. The aim of this project is to exploit XFEM discretisation strategies in order to decouple computational meshes from inter-phase boundaries in complex microstructures.]

Modélisation multi-échelles de la localisation plastique dans les matériaux irradiés [Multi-scale modelling of plastic localisation effects in irradiated metals]
Ce projet a pour but d'analyser la localisation plastique dans les métaux soumis à irradiation. L'objectif est d'utiliser des méthodes de simulation numérique pour essayer' d'établir le lien entre les changements de comportement macroscopique associés à l'irradiation et les évolutions microstructurales constatées dans ce type matériau, en particulier l'apparition de bandes claires. [This project aims at analysing the plastic localisation in metals subjected to irradiation. The objective is to use computational modelling methods to try to establish a link between the changes in the macroscopic behaviour due to the irradiation, and the microstructural evolutions observed in this type of material, especially focusing on the appearance of dislocation channels (clear banding).]

Plasticité aux échelles submicroniques avec confinement et effets d'interface [Small scale plasticity with confinement and interfacial effects]
Ce projet a pour but d'investiguer les effets du confinement par des interfaces (joints de grains, présence de mâcles, ...) sur la réponse mécanique de systèmes métalliques aux échelles submicroniques. L'objectif est de coupler des descriptions phénoménologiques de plasticité à gradients avec une représentation explicite des effets mécaniques de la présence de telles interfaces. [This project intends to investigate the confining effect provided by interfaces (grain boundaries, twin boundaries, ...) on the mechanical response of metallic systems at submicronic scales. The objective is to couple phenomenological strain gradient plasticity descriptions with an explicit model of the mechanical effects of the presence of such an interface.]



theses


Massart, Thierry J.: ''Multi-scale modeling of damage in masonry structures'', Dirs. Prof. Ph. Bouillard (Service des Milieux Continus, ULB) & Prof. M. G. D. Geers (Materials Technology, Faculty of Mechanical Engineering, TU Eindhoven), 2003



prix


Solvay Award 1996 pour leur travail de fin d'études (avec Pierre Humblet)

Prix FNRS Fernand De Waele 2004



disciplines et mots clés déclarés


Connaissance des matériaux Conservation et restauration d'oeuvres d'art Cristallographie Déformation, rupture matériaux Dégâts radioactifs aux matériaux Génie nucléaire Mécanique des milieux continus Mécanique des roches Mécanique des sols Programmation et méthodes de simulation Résistance des matériaux Résistance et comportement des matériaux Sciences de l'ingénieur Tribologie

aciers amélioration des sols analyse multi-échelles bandes claires béton armé calcul dynamique calcul non linéaire de structures confinement plastique couplage chémo-mécanique couplage hydro-mécanique couplage hydro-mécanique croissance de cavités damage mechanics discrétisation xfem dispersions matérielles effets d'interfaces effets d'irradiation effets de taille effets flexionnels effondrement progressif endommagemen endommagement films minces fissuration frottement et usure génération d'éléments de volume représentatifs géomatériaux géomécanique homogénéisation homogénéisation homogénéisation homogénéisation numérique interfacial effects localisation de la rupture localisation plastique maçonneries matériaux métalliques matériaux quasi-fragiles mécanique du contact mécanismes couplés métaux irradiés méthode de simulation discrètes miniaturisation modélisation adaptative modélisation de la rupture modélisation éléments-finis modélisation micromécanique modélisation multi-échelles modélisation numérique de la rupture nanotechnologies plasticité plasticité plasticité à gradients plasticité cristalline plasticité submicronique rupture simulations numériques structures coques structures historiques traitemens de sols transformation martensitique transformations de phase tribologie variabilités matérielles