Conception architecturale appliquée aux matériaux sandwichs pour propriétés multifonctionnelles.

287 Pages·2016·19.05 MB·French

by  Pierre Leite

Conception architecturale appliquée aux matériaux
sandwichs pour propriétés multifonctionnelles.
Pierre Leite
To cite this version:
PierreLeite. Conceptionarchitecturaleappliquéeauxmatériauxsandwichspourpropriétésmultifonc-
tionnelles.. Autre. Université de Grenoble, 2013. Français. ￿NNT: 2013GRENI053￿. ￿tel-00965547￿
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par
Pierre LEITE

Thèse dirigée par Yves BRECHET et Marc THOMAS

préparée au sein du Laboratoire DMSM/MAT ONERA
dans l'École Doctorale I-MEP2 – Ingénierie - Matériaux,
Mécanique, Energétique, Procédés et Production

Optimal design of architectured
sandwich panels for
multifunctional properties

Thèse soutenue publiquement le 16 Octobre 2013,
devant le jury composé de :
Pr. Luc SALVO
Professeur, Institut National Polytechnique de Grenoble, Président.
Dr. Rodolphe LE RICHE
Chargé de recherche, Ecole des Mines de Saint-Etienne, Rapporteur.
Dr. Hervé WARGNIER
Maître de conférences, Université de Bordeaux, Rapporteur.
Pr. Paul WEAVER
Professeur, University of Bristol, Examinateur.
M. Pierrick PECHAMBERT
PDG, Sainte-Marie Constructions Isothermes, Invité.
Pr. Yves BRECHET
Professeur, Institut National Polytechnique de Grenoble, Directeur de thèse.
Dr. Marc THOMAS
Ingénieur de recherche, DMSM, ONERA, Encadrant de thèse.
Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP

Remerciements

personnes. Tous
La réussite d’une thèse dépend de beaucoup de facteurs et surtout de beaucoup de
intégrante du processus.
n’interviennent pas au même niveau ni au même moment mais font partie

Une thèse se termine généralement par une soutenance au cours de laquelle le travail du
doctorant est jugé par des personnes de la communauté. Je tiens donc à remercier en premier
lieu les membres de mon jury de thèse pour cet exercice critique. Je remercie Rodolphe Le Riche
remercie également Luc Salvo qui a présidé ce jury et Paul Weaver qui a fait le déplacement
et (ervé Wargnier d’avoir rapporté ce manuscrit. Leurs remarques ont été très instructives. Je

membres de mon jury Pierrick Péchambert de la société
depuis Bristol avec autant d’enthousiasme.
SMCI car il a apporté un point de vue critique essentiel à ce travail : le point de vue de
J’ai été très honoré d’avoir parmi les

l’industriel. Je le remercie pour sa présence et pour les échanges que nous entretenons.
, il faut fournir un travail construit
et original. Je suis reconnaissant envers Yves Bréchet, mon directeur de thèse, qui a monté mon
Avant d’en arriver à la soutenance de thèse et au manuscrit
sujet de recherche. Ses conseils avisés et nos discussions du soir (ou du matin)
grand réconfort au cours de ces trois ans. enthousiasme pour la
m’ont été d’un
science et plus particulièrement pour les matériaux architecturés.
)l est plaisant de voir autant d’
Je dois aussi beaucoup à Marc Thomas, mon encadrant Onera au quotidien. Je le remercie
pour son soutien et son implication dans une thématique de recherche nouvelle pour le
département. J
.
e pense qu’il faut avoir beaucoup de courage pour se lancer dans ce genre de

d’aventure
Je remercie messieurs Shigehisa Naka, directeur du DMSM à mon arrivée, et Frank
Gallerne t. Je
remercie également Marie-
au, directeur du DMSM à mon départ, de m’avoir accueilli au sein du départemen
Pierre Bacos, chef de l’unité Matériaux et ArchiTectures, pour son
plus particulièrement Sophie Garabédian qui ont la lourde tâche de nous simplifier la vie (ce qui
soutien et sa bienveillance. J’exprime également ma gratitude à Thierry Ochin, Sylvie Ruffault et
représente un travail de titans), sans eux rien ne tournerait rond.

La communauté « matériaux architecturés » se développe en France depuis plusieurs années,
et ce fut une chance pour moi de pouvoir côtoyer une partie de ses membres au sein du projet
MANSART. Je salue tous les collaborateurs et les remercie pour les échanges que nous avons eus
au cours de ces quelques années passées ensemble. Evoluer dans un groupe comme celui-ci est
une incroyable source de richesse scientifique et personnelle. Je remercie plus particulièrement
les doctorants Marion Amiot, Justin Dirrenberger, Loïc Courtois, Amélie Kolopp et Magali Dugué
mais aussi Samuel Forest, Eric Maire, Rémy Dendievel, Marc Fivel, Anne Perwuelz, Marilyne
Lewandowski, Dominique Poquillon, Christophe Bouvet, Sophie Gourdet, Valia Fascio et
Dominique Bissières.

cette thèse en commençant par Frank Simon du DMAE pour son aide et pour avoir été mon
Je remercie également les collègues de l’Onera qui m’ont aidé et accompagné au cours de
professeur d’acoustique le temps d’une journée. En ce qui concerne l’optimisation, je dois
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beaucoup à mon professeur Gonzalo Cabodevila mais aussi à Itham Salah-El-Din du DAAP qui
remarquable dans ce projet. Je remercie ce dernier
accordé et pour son implication.
m’a lancé de manière pour le temps qu’il m’a

Cécile Davoine mérite une place particulière dans ces remerciements. Je lui dois mon arrivée
Merci pour les cours de
cuisine (truffes, gaufres et sandwichs).
à l’Onera mais aussi mon intérêt pour les matériaux architecturés.

Tout a commencé par un tube…
ai partagé les moments de
La réussite du travail dépend aussi de l’ambiance et donc des relations que l’on entretient
pause : Cécile, Sébastien, Jean-François, Etienne, Pierre Josso, Marie-Pierre ; les doctorants :
avec ses collègues. Je salue tous les membres de l’équipe avec qui j’
Antoine, Olivier, Anna ; les stagiaires et apprentis : Jonathan B, Jonathan C, Anaïs, Jérémy, David,
Quentin, Alexandre Pelourdeau, Félix, Naïma, Aliénor, Pierre Defaye, Cédrik, Isabelle, Maxime,
Mame, Antsa, Julie, Alexandre Tanguy, Pascal Bilhe, Manuel, Fabien et Benjamin.
Une pensée pour mon maître de la blague, Kevin, parti trop tôt (dans le sud). Je ne pensais
pas un jour rencontr
er quelqu’un avec un humour aussi particulier que le mien.
temps au sein du département.
Même si je ne les nomme pas directement, je remercie tous les collègues avec qui j’ai passé du

mon travail de thèse
Mes derniers remerciements seront pour ceux qui n’ont pas contribué à
de la dream team. Nous sommes des fous mais nous y sommes arrivés. Je salue et remercie très
mais qui ont contribué à mon équilibre personnel. J’embrasse bien fort Elodie et Pitchou, le reste
chaleureusement Emeline, Mathieu, Delphine et Christophe pour leur amitié, leur patience et
leur indulgence. Le hasard fait bien les choses parfois. Vive Berthelot ! Je remettrais la chaîne en

partant…
côtés
quelque chose de précieux.
J’embrasse toute ma famille, des Leite et Busschaert. Merci pour votre soutien, c’est

Je remercie aussi mon chat pour les séances de ronron
apporté beaucoup de réconfort à certains moments.
thérapie gratuite (cid:523)ou pas(cid:524) qui m’ont

Je conclurai cette partie très personnelle en remerciant la femme de ma vie, Clotilde, q
inconsciemment entraîné là-dedans. Je me nourris de tes forces et la balance commence à avoir
ui m’a
ici ce que je ressens vraiment mais je ne suis rien sans toi, a minha
mulher. Ça a été, on y est arrivé.
mal. )l est impossible d’écrire

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Contents
Titre de section
OPTIMAL DESIGN OF SANDWICH PANELS FOR MULTIFUNCTIONAL PROPERTIES

CONTENTS

Résumé étendu – French summary 9
1. Introduction ................................................................................................................................ 10
2. Méthode mise en place .......................................................................................................... 11
3. Optimisation par voie (cid:498)réelle(cid:499) : conception de panneaux avec cœur en
mousse ............................................................................................................................................ 14
4. Optimisation par voie (cid:498)virtuelle(cid:499) : influence de l’architecture de cœur ..... 22
5. Méthodes mixtes ....................................................................................................................... 26
6. Conclusion .................................................................................................................................... 30

Chapter 1: General introduction 35
1. Context............................................................................................................................................ 37
2. MANSART project (Architectured Sandwich Materials) ...................................... 40
3. Scope of the present study ................................................................................................... 41

Chapter 2: Literature review 45
1. Materials selection ................................................................................................................... 47
1.1. Principles ................................................................................................................................. 47
1.2. Multi-criteria materials selection ....................................................................................... 48
1.3. Mixed mode index .................................................................................................................. 50
1.4. Determination of performance index by coupling DOE and FEM ............................... 51
2. Introduction to architectured materials ...................................................................... 51
2.1. Definition and objectives of architectured materials .................................................... 52
2.2. ................................................................................................ 52
2.3. Overview of architectured materials ................................................................................. 53
Maxwell’s stability criterion
3. Sandwich panels ........................................................................................................................ 59
3.1. Introduction ............................................................................................................................ 59
3.2. Mechanical properties .......................................................................................................... 60
3.3. Thermal properties ............................................................................................................... 63
Page | 5
Optimal design of architectured sandwich panels for multifunctional properties
Pierre Leite
3.4. Acoustical properties ............................................................................................................ 66
3.5. Blast mitigation properties .................................................................................................. 67
4. Presentation of multi-objective optimization methods ....................................... 68
4.1. Generalities.............................................................................................................................. 68
4.2. Multi-objective optimization ............................................................................................... 70
4.3. Optimization algorithms ...................................................................................................... 73
4.3.1. Deterministic algorithms ................................................................................................... 73
4.3.2. Stochastic algorithms ......................................................................................................... 74
4.3.3. Comparison between the two types of algorithm..................................................... 75
4.4. Genetic algorithm .................................................................................................................. 76

Chapter 3: Design process 79
1. Principles ...................................................................................................................................... 81
1.1. Process: individuals evaluation selection .................................................................. 81
1.2. Specificities of discrete/continuum problems ................................................................ 82
– –
1.3. Path for material selection in the optimization process ............................................... 85
1.3.1. Optimization based on a discrete database ................................................. 85
1.3.2. Optimization based on a semi-continuous database ............................. 86
–(cid:498)real path(cid:499)
2. Analysis of properties ............................................................................................................ 91
–(cid:498)virtual path(cid:499)
2.1. Mass .......................................................................................................................................... 91
2.2. Flexural properties ................................................................................................................ 91
2.3. Thermal properties ............................................................................................................... 93
2.4. Acoustic damping ................................................................................................................... 96
2.5. Blast mitigation ...................................................................................................................... 97
3. Performance space .................................................................................................................. 101
3.1. Assessment of compatibility through Pareto front shape ............................................ 102
3.2. Assessment of design variable influence .......................................................................... 106
4. Genetic algorithm/implementation (DAKOTA) ....................................................... 108
4.1. Interfacing between analysis tools and optimization algorithm ................................ 108
4.2. Specificities of DAKOTA MOGA ........................................................................................... 109

Chapter 4: Design of foam core sandwich panels: (cid:498)optimization by
real path(cid:498) 113
1. Introduction ................................................................................................................................ 115
2. Design at minimal weight for a single other objective ......................................... 116
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Contents
Titre de section
2.1. Flexural stiffness .................................................................................................................... 117
2.2. Flexural strength .................................................................................................................... 122
2.3. Acoustic damping ................................................................................................................... 128
2.4. Thermal resistance ................................................................................................................ 133
2.5. Thermal insulation ................................................................................................................ 137
2.6. Blast mitigation ...................................................................................................................... 141
3. Design at minimal weight for multiple objectives .................................................. 146
3.1. A case of beneficial competition between specifications: flexural stiffness and
acoustic damping specifications ......................................................................................... 147
3.2. A case of non-beneficial competition between specifications: flexural strength
and thermal resistance specifications ............................................................................... 153
3.3. A case of compatibility between specifications: thermal insulation and blast
mitigation specifications ...................................................................................................... 158
3.4. A case of incompatibility between specifications: acoustic damping and blast
mitigation specifications ...................................................................................................... 162
4. Overview of the results of multi-objective design by (cid:498)real path(cid:499).................... 168

Chapter 5: Influence of core architecture: (cid:498)optimization by virtual
path(cid:499) 171
1. Introduction ................................................................................................................................ 173
2. Design at minimal weight for a single other objective ......................................... 175
2.1. Flexural stiffness ................................................................................................................... 175
2.2. Flexural strength ................................................................................................................... 179
2.3. Acoustic damping ................................................................................................................... 183
2.4. Thermal resistance ................................................................................................................ 189
2.5. Thermal insulation ................................................................................................................ 192
2.6. Blast mitigation ...................................................................................................................... 197
3. Design at minimal weight for multiple objectives .................................................. 199
3.1. A case of beneficial competition between specifications: flexural stiffness and
acoustic damping specifications ......................................................................................... 200
3.2. A case of non-beneficial competition between specifications: flexural strength
and thermal resistance specifications ............................................................................... 203
3.3. A case of compatibility between specifications: thermal insulation and blast
mitigation specifications ...................................................................................................... 206
3.4. A case of incompatibility between specifications: acoustic damping and blast
mitigation specifications ...................................................................................................... 211
Page | 7
Optimal design of architectured sandwich panels for multifunctional properties
Pierre Leite
4. Overview of the results of multi-objective design by (cid:498)virtual path(cid:499) ............. 214

Chapter 6: Improvement of the optimization process: mixed methods 219
1. Value of mixed methods ........................................................................................................ 221
1.1. Link between optimization method, analysis and models complexity ..................... 221
1.2. Behaviour of the genetic algorithm presentation of a reference case .................... 223
2. Coupling genetic algorithm with a branch and average approach ................. 226
–
2.1. Principles: branch-average-rank-select-delete ............................................................... 226
2.2. Mixed method applied on the reference case .................................................................. 228
2.3. Mixed method applied for the design of sandwich panels for stiffness and
acoustic damping at minimal weight ................................................................................. 232
2.4. Conclusion/Recommendations .......................................................................................... 235
3. Using design of experiments to create performance indices ............................ 236
3.1. Determination of the approximated performance index .............................................. 236
3.2. Using approximated performance index for the design of sandwich panels for
stiffness and acoustic damping at minimal weight ........................................................ 238
3.3. Conclusion/Recommendations .......................................................................................... 240
4. Conclusion on the value of mixed methods ................................................................ 240

Chapter 7: Conclusion 243
1. Summary ....................................................................................................................................... 244
2. Further work ............................................................................................................................... 246

Glossary ..................................................................................................................................................... 249

Appendices 251
A. Additional case studies.......................................................................................................... 252
B. Performance of the genetic algorithm .......................................................................... 271
C. Design Of Experiments for acoustic damping ........................................................... 274

References ............................................................................................................................................... 277

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Résumé
Titre de section
OPTIMAL DESIGN OF SANDWICH PANELS FOR MULTIFUNCTIONAL PROPERTIES
Résumé étendu
French summary

Ce résumé étendu présente en quelques pages les principaux résultats de cette thèse.
Une brève introduction présente le contexte de l’étude. Une deuxième partie se concentre
sur la méthode d’optimisation mise en place. Les parties (cid:889) et (cid:890) donnent un exemple
d’étude de cas et établissent une synthèse de l’ensemble des résultats présentés dans le
manuscrit. Une présentation des approches mixtes utilisées est fournie en partie 5. La
partie 6 conclut cette étude.

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