Laboratoire de Mécanique de Sousse
Gestion de l'équipe de simulation numérique et organisation du travail
Chef d'équipe : Prof. Zoubeir Tourki

I- Méthodologie adoptée

    Objectifs de l'équipe: 

• Apprendre aux doctorants comment définir des objectifs précis et pertinents, individuels et collectifs.
• Acquérir un savoir faire en matière de modélisation et de simulation numérique
• Améliorer continuellement la qualité scientifique des travaux de recherche au niveau des publications (articles et communications)
• Garantir l'apprentissage productif et coopératif tout au long de la formation doctorale, en se basant sur les expériences des membres de l'équipe de différents niveaux
• Garantir un encadrement doctoral performant
• Créer une meilleure synergie de collaboration entre compétences au sein de l'équipe et aussi avec les partenaires des milieux académique et industriel.
• Travailler pour le rayonnement du LMS à travers l'équipe numérique, dans les conférences nationales et internationales     

II-Actions de recherche programmées pour (2017-2018)

     Formation et animation scientifique

Soutenances de thèses des doctorantes: 

Synthèses des travaux de recherche                                                                                                                                 

Equipe de simulation numérique
2016-2017

• Doctorante: Boutheina BEN FRAJ
• Directeur de thèse : Pr. Zoubeir TOURKI
• Sujet de thèse: Etude biomécanique et caractérisation thermomécanique en compression d'un alliage à mémoire de forme du type NiTi riche en Ni: Cas d'application sur un implant intervertébral.
• Synthèse :
• L'alliage à mémoire de forme du type NiTi riche en Ni est un biomatériau qui a des propriétés physico-chimiques et thermomécaniques très spécifiques par rapport à d'autres alliages. Ce biomatériau n'est pas encore exploité dans le domaine de la biomécanique rachidienne et cette thèse présente une partie d'un grand projet qui consiste à inventer des nouveaux implants intervertébraux en NiTi. Le travail expérimental de cette thèse porte sur la caractérisation du comportement thermomécanique du matériau en compression dans des conditions bien déterminées (température, vitesse et milieu du refroidissement du traitement thermique), ce qui est nécessaire pour prédire son fonctionnement après son implantation dans un tissu vivant.
• La figure ci dessous montre la réponse du NiTi (traité à 550°C pendant 1h et refroidi à l'air ambiante) suite à une charge/décharge en compression à différentes températures. Le résultat obtenu met en évidence les deux principales propriétés du matériau étudié : l'effet superélastique (SE) et l'effet mémoire de forme (MF).

 Comportement du NiTi en compression à différentes températures d'essai (T)

Doctorante: Samar ARFAOUI
Directeur de thèse : Pr. Zoubeir TOURKI
Sujet de thèse: Modélisation et simulation numérique de la coupe d’un matériau à changement de phase

Synthèse : 

• L’usinage dur est un processus de fabrication connu par l’apparition d’une couche blanche à la surface des pièces usinées. Cette couche est un état métallurgique résultant d’une transformation de phase activée pendant l’usinage des matériaux durs. En effet le passage de l’outil de coupe engendre un chauffage de la matière avec une vitesse très élevée permettant ainsi le déclenchement de l’austénitisation et puis suite au refroidissement à l’air ce taux d’austénite se transforme en martensite dur et fragile. L’intérêt de cette étude est de développer un modèle d’usinage de l’acier dur AISI52100 sur le logiciel de calcul des éléments finis ABAQUS 6.10. Après avoir validé le modèle 2D de coupe orthogonale dans des travaux antérieurs, on a utilisé le logiciel de calcul statistique Minitab pour le traitement des résultats. En effet, on a réalisés 27 essais de simulation numérique pour un plan d’expérience de 3 facteurs à 3 niveaux. Les facteurs pris en considération sont les conditions de coupe (profondeur de passe, vitesse de coupe et vitesse d’avance). Les résultats obtenus sont de type mécaniques (efforts de coupe et efforts d’avance) et métallurgique (épaisseur de couche blanche). L’étude des effets et interactions des paramètres sur les résultats obtenus a été réalisé et par la suite une étude d’optimisation a été mené afin de trouver les paramètres optimales conduisant à la minimisation des efforts d’usinage et d’épaisseur de couche blanche

Figure : (a) Méthode de prédiction de couche blanche 

(b) Etude des interactions des paramètres de coupe sur l’épaisseur de la couche blanche

 Doctorante: Mariem DAKHLI
Directeur de thèse : Pr. Zoubeir TOURKI
Sujet de thèse: Étude du procédé de formage incrémental à un point SPIF.

 Synthèse : 

Le formage incrémental est un procédé de fabrication qui consiste à déformer localement une tôle à l’aide d’un outil à bout hémisphérique de faible diamètre par rapport aux dimensions de la tôle. L’intérêt de ce procédé est de garantir la forme de la pièce, uniquement par la génération des trajectoires de l’outil, prédéfinies par un système CFAO. Les forces appliquées par l’outil sont assez faibles, ce qui réduit le coût global des outillages. De plus, comme pour l’emboutissage, le temps de production est relativement élevé, ce qui limite l’utilisation du procédé à la réalisation de prototypes ou de pièces en petites séries. En effet, nombreux travaux de recherche ont été menés pour tester la faisabilité de ce procédé dans certains domaines tel que l’aéronautique et le domaine biomédical. Les résultats obtenus semblent encourageante. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce projet de thèse. Donc, l’intérêt de ce projet est de faire une étude expérimentale et numérique du procédé de formage incrémental à froid à point SPIF. Les travaux que j’ai réalisés sont :

• Conduite d’une campagne d’essais expérimentaux sur des éprouvettes de tôles minces
• (aluminium, cuivre, acier doux) en vue d’étudier les paramètres influençant le procédé tels que la vitesse de rotation de la broche, les vitesses d’avance axiale et radiale, l’incrément de déformation et les conditions tribologiques.
• Mesure de la rugosité des différents emboutis formées.
• Topographie des surfaces embouties par SPIF.
• Numérisation 3d des pièces embouties en vue d’examiner la précision dimensionnelle des pièces.
• Rédaction et publication d’un article dans The International Journal of Advanced Manufacturing Technology « Effect of generatrix profile on single-point incremental forming parameters »
• Une modélisation du comportement des structures minces soumises à un cycle de formage incrémental SPIF par ABAQUS basée sur les résultats expérimentaux.
  

Figure : Mesure de la rugosité à l’aide d’un altimètre

Doctorante: Wissal MEHRI Ep BELKHIRIA
Directeur de thèse : Pr. Zoubeir TOURKI
Sujet de thèse: Modélisation et simulation du comportement des verres métalliques massifs

Synthèse : 

• Suite à des essais mécaniques, on remarque que le comportement des verres métalliques massifs en traction se diffère de celui en compression dont la rupture se produit après une certaine déformation plastique, mais suite à une sollicitation de traction, le comportement est fragile et la rupture se produit après une localisation intense de déformation dans des bandes très fines de cisaillement et parfois une seule bande dominante traverse la coupe entière de l’échantillon sans écoulement plastique remarquable.
• Cette modélisation est basée sur une représentation en coordonnées polaires de la surface d’écoulement dans l’espace des contraintes principales prenant en compte l’orientation des axes principaux de chargement.
• Etude de sensibilité des paramètres physiques et mécaniques tel que la vitesse de déformation et la concentration du volume libre initial a été faite et on a trouvé un très bon accord qualitatif avec les données expérimentales disponibles sur la propagation de la bande de cisaillement et la relation contrainte-déformation. Ce modèle nous permet d'étudier l'interaction entre la nucléation d’une bande individuelle de cisaillement et la concentration du volume libre et fournit un éclairage précieux pour les mécanismes élémentaires à l'origine de l'écoulement plastique (figure1).
  

 Figure 1. Simulation de la déformation d’un échantillon de verre métallique.

Doctorante: Wafa DANDANA
Directeur de thèse : Pr. Khalil HAJLAOUI
Sujet de thèse: Effet de chargement par hydrogène sur les propriétés des alliages métalliques amorphes

 Synthèse : 

•  Au cours des 60 dernières années, le développement des alliages amorphes a attiré l'attention des scientifiques vu qu’ils présentent des propriétés intéressantes favorisant de nouveaux champs d'application. Les matériaux amorphes caractérisés par une structure atomique ordonnée à courte distance présentent des bonnes propriétés mécaniques, physiques et chimiques. Récemment, dans de nombreuses études, l'ajout d'un autre élément à la composition des verres métalliques s'est avéré avoir un effet significatif sur les propriétés mécaniques, structurales ainsi que sur la stabilité thermique et même sur l’élaboration de la phase amorphe.
• Il est presque impossible de produire des alliages sans hydrogène vu qu’il est il est soit mélangé ou absorbé par de nombreux matériaux métalliques lors de la préparation ou aussi lors des traitements électrochimiques. La présence d'hydrogène dans les métaux provoque un problème de dégradation mécanique appelé la fragilisation par l'hydrogène. Actuellement, plusieurs recherches ont montré que l’hydrogène provoque parfois une fragilisation et d’autres fois un effet d’adoucissement lorsqu’il est en contact avec le verre métallique. On outre, des alliages métalliques cristallins sont utilisés pour des applications dans l'environnement de l'hydrogène. Cependant, ils se fragilisent suite à un chargement par hydrogène, ce qui affecte négativement leurs performances. De plus, les technologies d'hydrogène énergétique telles que les membranes de purification d'hydrogène de haute qualité nécessitent un bon choix de matériau avec une excellente résistance à la fragilisation d'hydrogène, une perméabilité à l'hydrogène élevée et une bonne stabilité thermique. Et puisque les alliages métalliques à base de Zr ont une grande affinité à l’hydrogène, il est d’une grande importance d’étudier l’effet d’hydrogène sur le comportement des verres métalliques et voir s’il est possible de les utiliser, étant un matériau très résistant avec excellentes propriétés mécaniques, pour fabriquer des dispositifs de purification et de stockage d’hydrogène. Dans ce travail on a choisi de travailler avec deux compositions différentes de verre métallique, le premier est un alliage amorphe à 5 éléments chimiques Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5 et le deuxième est d’une structure ternaire Zr50Cu40Al10. Toute une étude a été détaillée concernant la deuxième composition d’alliage amorphe (verre métallique ternaire). Ces résultats fournissent une meilleure compréhension de l’effet d’hydrogène sur un verre à 5 éléments chimiques (adoucissement) et un autre ternaire (durcissement).Une comparaison a été faite entre les deux compositions de structure différentes pour mieux comprendre l’effet inverse d’hydrogène sur le comportement des deux alliages.

Figure . Variation de l’énergie de déformation plastique en fonction du temps de chargement par hydrogène comparaison entre les deux structures: (a) structure à 5 éléments Zr57 et (b) structure ternaire Zr50.

 Doctorante: Hanen MAHJOUBI
Directeur de thèse : Pr. Zoubeir TOURKI
Sujet de thèse: Modélisation du couplage entre les deux mécanismes endommagement et cristallisation et la modélisation d’une loi d’évolution de ce couplage au cas des polymères semi-cristallins sous chargement cycliques.

Synthèse:

Aujourd’hui les polymères sont de plus en plus fréquemment utilisés pour remplacer les structures métalliques. Toutefois, ces structures en polymère devant répondre aux mêmes contraintes que les structures métalliques, une analyse approfondie de leur comportement s’avère nécessaire, notamment pour s’assurer de leur tenue dans le temps. L’objective de ma thèse porte sur la amélioration de la connaissance du comportement mécanique du polymère thermoplastique et d’étudier le mécanisme de la transformation de phase induite par déformation. Nous avons choisi comme matériau pour étudier le Poly-Lactic Acid (PLA) comme il se caractérise par le développement de deux phases : mésomorphe ou /et cristalline à partir de la phase amorphe. Pour atteindre cette objective :

Nous avons réalisé une étude approfondie sue le comportement mécanique Poly-Lactic Acid (PLA) et sur des différents modèles réalisés en introduisant la transformation de phase induite par déformation.

• Nous avons déterminé un nouveau modèle du comportement mécanique de PLA en étirement en tenant compte de transformation de phase induit.
• Nous avons modélisé de l’évolution de la phase mésomorphe et cristalline induite par étirement
• Nous avons Identifié des différents paramètres en tenant compte de l’effet de la cinétique sur le comportement.
• Nous avons intégré le nouveau modèle en MATLAB
   

 Figure : a) schéma représentatif du modèle rhéologique- b) Comparaison de simulations de modèle et de données expérimentales pour le comportement mécanique de PLA en étirement  pour trois différentes températures :         45°C-70°C-90°C.

Doctorant: Sami Ernez
Directeur de thèse : Pr. Zoubeir TOURKI
Sujet de thèse: Dégivrage des aéronefs au sol par jet d’éthylène glycol
Synthèse:

• L’objectif de ce projet est de modéliser différents scénarios de dégivrage d’épandage d’éthylène glycol sur une surface froide simulant une aile d’avion. Plus spécifiquement, nous allons identifier d’abord un modèle mathématique et une méthode numérique approprié pour la modélisation d'un jet liquide d'éthylène glycol impactant une surface partiellement givrée. Nous allons proposer ensuite un modèle permettant de simuler la fonte et l'enlèvement de la glace en fonction des forces d'impact et la température du jet. Nous Vérifierons et validerons le modèle mathématique proposé afin d’identifier enfin les paramètres les plus importants à respecter lors d'une mise à l'échelle en laboratoire.

Schéma du procédé de dégivrage au sol des aéronefs

Retombées prévues et impact industriel :

Nous prévoyons à l’issue de notre étude une diminution des volumes d'éthylène glycol utilisés dans les aéroports ce qui pourrait rendre l'opération de dégivrage moins chère et moins polluante. Notre travail contribuera aussi au développement de logiciels de simulation numérique de dégivrage pour la formation des dégivreurs en nacelle à l'aide des études paramétriques qui pourront être réalisées. Il important de mentionner qu’il n'existe pas de tel logiciel actuellement.
L’analogie avec les moteurs à combustion pourrait aussi nous amener dans le long terme à robotiser le procédé de dégivrage dans le but de proposer une trajectoire optimale de la buse visant à conserver le liquide chaud le plus longtemps que possible sur la surface contaminée avant qu’il ne s’écoule sur l’aire du trafic. Arrivé à ce stade, des résultats pratiques pourront être facilement enregistrés et utilisés dans l’optique d’une optimisation continue du procédé.

Bilan 2012-2018 : Equipe Simulation numérique