Réduction de modèle pour la simulation vibratoire de structures plaques composites pour la récupération d’énergie

Le LEME est une équipe d’accueil de l’Université Paris Nanterre, située sur le Campus de Ville d’Avray. Elle regroupe à ce jour 31 Enseignants Chercheurs (EC).

Les profils d'EC couvrant les sections CNU 60-61-62-63, les domaines d'études sont vastes puisque nous balayons le champ des ondes, des matériaux, des structures et des systèmes énergétiques grâce à la présence au sein de cette EA de compétences variées en :

- mathématiques : théoriques, numériques

- physique : optique, électromagnétisme, sciences des matériaux (métalliques et composites)

- mécanique, thermique, énergétique, physico-chimie

Les préoccupations environnementales croissantes ont conduit au développement de nouveaux matériaux et systèmes afin de limiter leur empreinte écologique. Parmi eux, on trouve une catégorie de matériaux dit multi-fonctionnels [1] qui se révèle polyvalente et permet de développer des systèmes autonomes. Un moyen pour arriver à cette fin est basé sur la récupération d’énergie qui serait perdue lors du fonctionnement d’un système. C’est une thématique naissant dans les années 1990 et dont l’intérêt s’est fortement accru il y a une quinzaine d’années, comme en témoigne l’accroissement important du nombre de publications depuis 2005. Ainsi, il s’agit de convertir une énergie disponible (électromagnétique, chaleur, mécanique) en une énergie exploitable. En l’occurrence, nous nous intéresserons à la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique en utilisant des matériaux piézo-électriques [2]. Les applications sont multiples puisqu’elles peuvent concerner à la fois le domaine aéronautique (aéronefs), le génie civil (immeubles, ponts) ou bien le domaine du biomédical en exploitant l’énergie mécanique développée par le corps humain.

Le sujet du stage se situe en amont du process de récupération d’énergie. Il s’agit tout d’abord de mettre en place une stratégie robuste de réduction de modèles pour la simulation numérique du comportement vibratoire de structures composites. Pour cela, il s’agit d’exploiter les modèles originaux développées au LEME depuis une quinzaine d’années pour les composites et piezo-électriques en les couplant à des approches basées sur la séparation de variables. Ce travail préalable est en effet nécessaire pour ensuite mettre en place un processus  d’optimisation des dispositifs de récupération d’énergie basé sur l’utilisation de ce type de matériaux. Ce type de simulations étant très couteux en temps de calculs, cela justifie donc le travail proposé dans ce stage. Des structures plaques, mais également coques seront considérées. Ces dernières, très répandues, ont en effet montré un potentiel intéressant [3] par rapport aux structures planes. Ainsi, pour arriver à cet objectif, nous nous appuierons sur des travaux déjà développés au laboratoire [4-6].

Finalement, les compétences attendues concernent la simulation numérique basée sur la méthode éléments finis et les phénomènes vibratoires. Une solide formation en mécanique et en calculs de structures est souhaitée. Un goût pour la programmation est attendu. Parallèlement aux implémentations numériques qui seront effectués dans les logiciels EF développés dans le laboratoire, l’étude nécessitera l’utilisation de codes de calculs commerciaux tels que ANSYS.

Il faut noter que ce travail peut déboucher sur une thèse de doctorat.

Références :

[1] A. Duarte B.L. Ferreira, P. R.O. Novoa, A. Torres Marques. Multifunctional Material Systems: A state-of- the-art review. Composite Structures, 151:3–35, 2016.

[2] Safaei, M., Sodano, H. A., Anton, S. R. A review of energy harvesting using piezoelectric materials: state-of-the-art a decade later (2008–2018). Smart Materials and Structures, 28(11), 113001, 2019.

[3] Yang, B., & Yun, K. S. Piezoelectric shell structures as wearable energy harvesters for effective power generation at low-frequency movement. Sensors and Actuators A: Physical, 188, 427-433, 2012.

[4] P. Vidal, L. Gallimard, O. Polit. Comparison of different degenerated approaches for the modeling of composite shell structures, Finite Element in Analysis and Design, 195 :103585, 2021 -doi:10.1016/j.finel.2021.103585

[5] P. Vidal, L. Gallimard, O. Polit. Modeling of composite plates with an arbitrary hole location using a variable separation method., Computers & Structures, 192 :157-170, 2017 --doi:10.1016/j.compstruc.2017.07.020

[6] M. Lezgy-Nazargah, S.M. Divandar, P. Vidal, O. Polit. Assessment of FGPM shunt damping for vibration reduction of laminated composite beams, Journal of Sound and Vibration, 389 :101-118, 2017 --doi:10.1016/j.jsv.2016.11.023

Les compétences attendues concernent la simulation numérique basée sur la méthode éléments finis et les phénomènes vibratoires. Une solide formation en mécanique et en calculs de structures est souhaitée. Un goût pour la programmation est attendu. Parallèlement aux implémentations numériques qui seront effectués dans les logiciels EF développés dans le laboratoire, l’étude nécessitera l’utilisation de codes de calculs commerciaux tels que ANSYS.