Etude de structures multi-stables et reconfigurables par des stimulations électro-mécaniques

Le LISV est un laboratoire de l'Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines reconnu par le ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche (EA-4048).
Ses locaux sont regroupés à Vélizy, sur le site du Pôle technologique Universitaire. Il est constitué de deux équipes :
1 - Robotique Interactive (RI)
2 - Instrumentation et modélisation des Systèmes et nanosystèmes Avancés (ISA)
Les thématiques développées par les équipes de recherche concernent :  Robotique interactive, Mobilité et Handicap, Instrumentation métrologie et Capteurs, Systèmes embarqués, Caractérisation des performances et fiabilité des composants, Mécatronique.
Ses thématiques scientifiques sont à fort potentiel de valorisation et le LISV participe à une recherche à fort caractère industriel.

Description du sujet de stage :

Ce sujet propose l’étude de structures multi-stables reconfigurables et adaptatives en réponse à des stimulations électro-mécaniques : ces structures ont la particularité de présenter plusieurs formes stables, et peuvent ainsi changer d’état de stabilité pour se transformer [1].

L’intérêt de ces structures en ingénierie réside dans leur grande capacité d’adaptation. Un exemple classique d’application des structures reconfigurables est l’aile d’avion [2,3]: en modifiant dynamiquement sa géométrie, on peut optimiser la portance et la trainée pour différents régimes de vol, réduisant ainsi la consommation de carburant.

Ces structures exploitent des instabilités pour changer dynamiquement de géométrie, leur permettant d’exhiber de multiples formes et propriétés physiques [4]. Les instabilités, au lieu d’être une entrave, sont ainsi fonctionnalisées pour remplir des objectifs de performances ou d’optimisation : on parle de structures à instabilités contrôlées. Parmi les structures présentant des caractéristiques de multi-stabilité, ce projet s’intéresse en particulier aux dômes [5,6] dont la bistabilité est illustrée sur la Figure 1 a). Ces derniers présentent l’avantage de pouvoir être assemblés périodiquement de manière à former des structures continues (voir figure 1b)), contrairement aux poutres bistables.

Une première collaboration des acteurs de ce projet a déjà permis de mieux comprendre le comportement mécanique de dômes bi-stables intégrées à des objets [7], et notamment les liens entre géométrie, conditions limites et bi-stabilité. Aujourd’hui le verrou scientifique réside dans l’actionnement commandé du changement d’état des dômes bistables.
L’objectif de ce projet est ainsi de provoquer le changement d’état de stabilité à l’aide d’éléments piézoélectriques intégrés. La difficulté réside dans le fait que le changement d’état de stabilité des dômes nécessite un grand déplacement appliqué sur celui-ci, tandis que les matériaux piézoélectriques communs ne proposent que de très faibles déformations lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique. On cherche ainsi à obtenir un grand déplacement par l’intermédiaire d’une petite déformation.

Ce stage sera amené à se prolonger par une thèse (déjà financée) portant sur l’étude de structures constituées d’un assemblage d’éléments bistables, pour des applications en robotique souple.

Déroulement du stage :

La personne recrutée aura ainsi pour missions :

• D’identifier une stratégie optimale permettant le changement d’état de stabilité des structures. Cette tâche sera réalisée en couplant simulations numériques par éléments finis et essais expérimentaux sur des éprouvettes fabriquées par impression 3D.   
• De simuler et réaliser l’actionnement piézoélectrique des structures multistables. Là encore, il sera fait usage d’outils numériques et d’essais expérimentaux.
• De réaliser un démonstrateur de structure reconfigurable.

Bibliographie :

[1] D. M. Kochmann, K. Bertoldi, Exploiting Microstructural Instabilities in Solids and Structures: From Metamaterials to Structural Transitions, Applied Mechanics Reviews 69 (5) (2017).

[2] J. R. Rivas-Padilla, D. M. Boston, K. Boddapati, A. F. Arrieta, Aero-structural optimization and actuation analysis of a morphing wing section with embedded selectively stiff bistable elements. Journal of Composite Materials, (2023).

[3] D. Matthew Boston, Francis R. Phillips, Todd C. Henry, Andres F. Arrieta. Spanwise wing morphing using multistable cellular metastructures, Extreme Mechanics Letters, (2022).

[4] H. Mofatteh, B. Shahryari, A. Mirabolghasemi, A. Seyedkanani, R. Shirzadkhani, G. Desharnais,

A. Akbarzadeh, Programming Multistable Metamaterials to Discover Latent Functionalities, Advanced Science, (2022).

[5] M. Taffetani, X. Jiang, D. P.Holmes, D. Vella, Static bistability of spherical caps, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, (2018)

[6] J. A. Faber, J. P.Udani, K. S. Riley, A. R. Studart, A. F. Arrieta, Dome-patterned metamaterial sheets, Advanced Science, (2020).

[7] F. Albertini, M.G Tarantino, L. Daniel, Mechanical behavior of embedded bistable dome shell with tunable energy barrier asymmetry, International Journal of Mechanical Sciences, (2024).

Profil et compétences recherchées :

Etudiante ou étudiant en cours de formation bac +5 (Master ou Ingénieur), en spécialité mécanique des matériaux et des structures, avec de l’expérience (stage ou projet) dans l’utilisation de solveur éléments finis (type Abaqus) pour la simulation en mécanique non-linéaire. Expérience souhaitable dans l’utilisation de machine d’essais et imprimante 3D. Une volonté de poursuite en thèse est fortement encouragée, un contrat doctoral est déjà financé.