Le département MMSV

Le domaine de recherche

Le département MMSV est structuré autour de quatre axes de recherche centrés sur la mécanique des matériaux et des structures avec des applications diverses allant des matériaux métalliques aux tissus du vivant. C’est un département qui compte 65 chercheurs et enseignants-chercheurs.
Les activités de recherche visent des développements théoriques, expérimentaux et numériques qui font la marque de fabrique de notre laboratoire. Les thématiques de recherche de l’axe 1 du département portent principalement sur le développement de méthodes numériques et l’étude des instabilités et des vibrations avec des applications dans le domaine de la mécanique des structures, des procédés de fabrication et des géo-matériaux. Les thématiques de recherche de l’axe 2 concernent la biomécanique et la bio-ingénierie du système musculo-squelettique. Les activités de recherche de l’axe 3 s’articulent autour du comportement mécanique des matériaux sous sollicitations extrêmes en grandes vitesses de déformation et haute température. Les activités de recherche de l’axe 4 couvrent des champs disciplinaires complémentaires allant de l’élaboration de matériaux multiphasés au couplage multiphysique et à la tenue en service de produits innovants. Cet axe développe des approches expérimentales fines ainsi que la modélisation de la rhéologie de matériaux multiphasés et des alliages de titane.

Bio-ingénierie

Biomécanique

Conditions extrêmes

Impacts

Micromécanique

Instabilité

Vibrations

Alliages à haute entropie

Fabrication additive

les responsables

Christophe Czarnota

Jean-François Ganghoffer

Les membres

Professeurs et directeurs de recherche

Maitres de conférences et chargés de recherche

Personnel technique

Doctorants

Post-doctorants et chercheurs contractuels

Invités – autres personnels

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Les axes de recherche

Méthodes numériques, instabilités et vibrations

Animateurs de l’axe : Farid Abed-Meraim et Michael Brun

Les thématiques de recherche de cet axe portent principalement sur le développement de méthodes numériques et l’étude des instabilités et des vibrations, avec des applications dans le domaine de la mécanique des structures, des procédés de fabrication et des géo-matériaux. Dans ces thématiques, les approches multi-échelles sont largement développées pour l’analyse des instabilités, la conception de matériaux et structures et la modélisation du comportement des matériaux. Pour cette thématique, l’équipe travaille sur le développement de méthodes numériques pour le calcul non linéaire des structures en présence d’instabilités. Cette équipe est à l’origine de la méthode asymptotique numérique (MAN), basée sur des développements de Taylor à des ordres élevés permettant le calcul des branches non linéaires et des bifurcations avec beaucoup d’efficacité. À noter aussi que l’approche expérimentale, pour les thématiques liées à l’étude des vibrations et des géo-matériaux, vient compléter les approches de modélisation et de simulation

Méthodes numériques pour l’analyse des instabilités des structures minces

La méthode asymptotique numérique (MAN), basée sur des développements de Taylor, permet d’analyser efficacement les instabilités des structures minces constituées de matériaux architecturés. La MAN a été étendue au cas de la dynamique implicite avec des pressions suiveuses. Des techniques de couplage entre différents schémas d’intégration temporelle (MAN / implicite, explicite) sont mises en place.

https://hal.univ-lorraine.fr/hal-04097183

Vibration, amortissement, conception de matériaux et de structures

Cette thématique concerne la modélisation et la conception de structures à hautes propriétés vibratoires pour l’allègement et l’amortissent dans les domaines du transport et du Génie civil. Elle se décline ainsi : Modélisation numérique de l’amortissement actif et passif des structures sandwich ; Modélisation des vibrations linéaires et non linéaires des structures complexes ; et Conception de matériaux et structures à haut pouvoir amortissant.

https://hal.univ-lorraine.fr/hal-02085990

Approches multi-échelles pour la modélisation du comportement des tôles minces et la prédiction des instabilités matérielles

Pour compléter les outils de modélisation multi-échelles développés dans l’équipe (approches à champs moyens), la technique d’homogénéisation périodique, connue pour sa précision dans la prédiction du comportement d’agrégats polycristallins, a été couplée à la théorie de bifurcation, via des outils logiciels robustes, pour améliorer la prédiction des instabilités matérielles par des modèles micromécaniques à base physique.

https://hal.univ-lorraine.fr/hal-02901420

Développement d’EF à couplage chemo-thermo-mécanique : Application à l’étude de l’effet de la diffusion d’hydrogène sur la tenue en service des arches orthodontiques en NiTi

Une famille d’EF à couplage multiphysique a été développée incluant des éléments bi- et tri-dimensionnels à ddl chimique (concentration en hydrogène), thermique (température) et mécanique (déplacements). Ces éléments ont été implantés dans le code Abaqus via des UELs et ont été appliqués pour étudier l’effet de la diffusion d’hydrogène sur la tenue en service des arches orthodontiques en alliages à mémoire de forme de type NiTi.

https://hal.univ-lorraine.fr/hal-04469774

Biomécanique et bio-ingénierie du système musculo-squelettique (Bio2MS)

Animatrice de l’axe : Émilie De Brosses

L’axe Bio2MS étudie le comportement des tissus et des organes afin de mieux comprendre les phénomènes en jeu, et en particulier les couplages multiphysiques, lors de processus d’adaptation et de guérison ou sous l’effet de pathologies. Nos recherches visent à proposer des solutions de restauration adaptées et des bio-substituts optimisés. L’équipe de l’axe met en œuvre des approches amont de mécanique et réalisons également des travaux plus appliqués à visée industrielle ou clinique. Des méthodes expérimentales couplées à des approches numériques multi-échelles et multi-physiques y sont développées. L’axe dispose pour cela d’un plateau technique composé de moyens d’essai permettant la caractérisation de l’échelle de la cellule à celle des organes. Les moyens numériques développés permettent de créer des modèles personnalisés sur la base de données d’imagerie, afin de répondre à des enjeux de simulation de chirurgie et d’aide à la décision. Ces recherches sont menées dans le cadre de projets nationaux collaboratifs et multidisciplinaires et en lien étroit avec les acteurs du monde clinique et les industriels du biomédical.

L’axe Bio2MS a été créé en 2018 et regroupe des enseignants-chercheurs de Metz et de Nancy.

Élaboration de bio-substituts architecturés optimisés

Les matrices utilisées en régénération tissulaire doivent concilier une distribution de pores permettant le transport des nutriments aux cellules et des propriétés mécaniques adaptées à la zone de comblement. Nous avons proposé une méthodologie, basée sur les transformations non conformes, pour générer des matrices architecturées aux propriétés optimisées répondant à ces deux critères. Les résultats prometteurs ouvrent de nouvelles perspectives pour l’élaboration de matrices poreuses en chirurgie mini-invasive.

hal.science/tel-04072479v1

Caractérisation des propriétés des tissus et structures osseuses sous l’effet de pathologies

Les pathologies ostéo-articulaires touchent 1,71 milliard de personnes dans le monde et sont le premier facteur de handicap selon l’OMS. Comprendre l’évolution des propriétés des structures et des tissus osseux sous l’effet de pathologies (ostéoporose, défauts de calcification, mucoviscidose, etc.) reste donc un enjeu majeur pour la prédiction des fractures et pour proposer des traitements préventifs adaptés. Les projets que nous menons avec les laboratoires de biologie partenaires, combinent approches expérimentales innovantes et modélisations numériques sur mesure.

hal.science/hal-03145718v1

Caractéristiques multiphysiques de mousses hémostatiques utilisées pour l’élévation du sinus

Le manque d’os est un obstacle fréquent à la pose d’implants dentaires au maxillaire. Le soulèvement de la membrane du sinus peut alors être pratiqué pour permettre l’insertion de substituts osseux granuleux ou, plus récemment, d’éponges hémostatiques biodégradables. Afin de mieux prédire le volume d’os finalement reconstruit que ces éponges peut permettre d’obtenir, nous avons étudié et comparé le comportement mécanique et la cinématique du volume de plusieurs d’entre elles dans les conditions physiologiques d’utilisation.

hal.science/hal-03209210

Modélisation de la sphère cranio-maxillofaciale pour l’élaboration de solutions prothétiques

Les approches sur mesure se sont développées en chirurgie crâniale et maxillofaciale permettant l’élaboration de solutions de remplacement plus pertinentes et des temps de chirurgie plus réduits. Notre équipe contribue au développement de dispositifs implantables optimisés, dont la validation repose sur des expérimentations adaptées et des simulations numériques de l’ensemble de l’appareil manducateur issues de mesures in vivo et reproduisant des configurations proches de la physiologie.

Développement d’une maquette d’entraînement à la chirurgie de l’oreille

Le fraisage est une procédure courante en chirurgie de l’oreille. Cependant, cette intervention n’est pas sans risque, les structures délicates pouvant être sujettes à des dommages directs par contact avec l’outil ou indirects par échauffement. Un entraînement conséquent et efficace est donc requis pour les praticiens. Dans cette optique, un simulateur physique d’os temporal adulte et pédiatrique a été proposé et validé en terme de fidélité anatomique et de réponse au fraisage.

Découvrir le projet OtoTwin

Dynamique et conditions extrêmes (CeDyn)

Animateurs de l’axe : Rodrigue Matadi Boumbimba et Napo Bonfoh

L’axe CeDyn se consacre à la théorie, à la modélisation numérique et au développement expérimental, avec une attention particulière portée au comportement mécanique des matériaux soumis à des conditions extrêmes incluant les grandes vitesses de déformation et les hautes températures. Une diversité de matériaux est considérée : métaux, céramiques, polymères nanostructurés ou matériaux biosourcés, composites stratifiés, obtenus par diverses méthodes comme la fabrication additive (matériaux architecturés).
CeDyn accorde une importance particulière à des aspects fondamentaux tels que l’endommagement, le développement d’instabilités, la rupture ductile ou la fissuration en sollicitations extrêmes. Les questions relatives au comportement des interfaces, notamment l’usure et le frottement dynamiques ainsi que les assemblages sous sollicitations rapides, représentent également des enjeux majeurs pour l’équipe.
En plus de ces axes de recherche, l’équipe se distingue par son expertise dans le développement de méthodes d’homogénéisation à champs moyens et à champs complets. Par ailleurs la recherche sur la résistance mécanique des assemblages complexes pour des applications circuits imprimés demeure un axe important de ses activités.
Au niveau expérimental, l’équipe met en œuvre des expériences et des équipements spécifiques, en exploitant les plateformes Rhéologie dynamique et Circuits imprimés de l’équipe.

A mesoscale modelling approach of glass fibre / Elium acrylic woven laminates for low velocity impact simulation

Cette étude présente une approche numérique à l’échelle mésoscopique, pour simuler les mécanismes d’endommagement et de rupture des composites stratifiés tissés dans des conditions de chargement en impact basse vitesse. Quatre modes de rupture ont été considérés relativement à l’initiation des dommages des fibres en traction et en compression et un critère de Puck tridimensionnel a été utilisé pour prendre en compte l’initiation des dommages de la matrice

hal.univ-lorraine.fr/LEM3-UL/hal-03348128

Experimental characterization of rolled annealed copper film used in flexible printed circuit boards

Pour prédire la fiabilité des circuits imprimés, il est nécessaire de connaître le comportement élasto-plastique du cuivre et sa réponse en fatigue. Nous avons caractérisé ces deux ingrédients et déterminé ainsi le nombre de cycles à rupture d’un circuit imprimé flexible. Ce travail s’avère important pour le domaine de l’électronique souple et a reçu le soutien de la chaire circuits imprimés.

hal.science/hal-03008248

The dynamic behavior of poly (methyl methacrylate) based nano-rubbers subjected to impact and perforation

Une nouvelle famille de PMMA Nanostructuré offrant une résistance accrue aux chocs tout en préservant la transparence optique quel que soit la température, a été développé par ARKEMA, sous le nom commercial « Altuglas® ShieldUp ». Ce polymère a été étudié et comparé au PMMA standard, au PMMA choc et au Polycarbonate

hal.science/hal-03348147

Supershear rupture with a two-scale damage model

Une étude de la rupture intersonique est réalisée à l’aide d’un modèle d’endommagement à deux échelles, obtenu par homogénéisation à partir des microstructures présentant des microfissures en évolution dynamique. La rupture macroscopique est analysée en lien avec la propagation des microfissures.

doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109783

Milieux multiphasés et couplages multiphysiques : composites, polymères et alliages à haute entropie et composition complexe (M²ARTS)

Animateurs de l’axe : Fodil Meraghni et George Chatzigeorgiou

Les activités de recherche menées au sein de cet axe couvrent des champs disciplinaires complémentaires allant de l’élaboration de matériaux multiphasés au couplage multiphysique et à la tenue en service de produits innovants. Nous développons des approches dédiées à l’analyse expérimentale fine et à la modélisation de la rhéologie de matériaux multiphasés (composites à matrice polymère et matériaux adaptatifs), des alliages de titane, des alliages à mémoire de forme et des alliages à haute entropie. Les analyses et les modélisations multiéchelles sont développées en relation étroite avec les microstructures induites par le procédé d’élaboration en particulier pour les matériaux architecturés obtenus par les procédés de fabrication additive. Un quatrième thème concerne la modélisation et la simulation numérique des couplages multiphysiques des matériaux et des systèmes adaptatifs.

Simulation multi-échelles par EF² de structures composites périodiques

Une approche de simulation numérique multi-échelles EF2 a été développée pour prédire la réponse globale des structures composites 3D. Ces structures sont constituées d’une matrice polymère thermoplastique viscoélastique-viscoplastic avec endommagement ductile et renforcées par fibres courtes ou tissus. Les capacités de l’approche sont démontrées en comparant avec des résultats expérimentaux.

hal.science/tel-02409393

Optimisation topologique de structures lattices

Le concept de surfaces minimales triplement périodiques (TPMS) a été introduit pour créer des structures avec des propriétés originales. Des topologies de cellules unitaires ont été étudiées numériquement pour calculer leurs propriétés apparentes et la distribution des contraintes locales. La validation des résultats numériques a été effectuée par des résultats obtenus expérimentalement par une machine SLM.

hal.science/tel-03707088

Modélisation hygro-mécanique non locale dans les structures thermoplastiques renforcées

Les thermoplastiques présentent plusieurs mécanismes inélastiques non linéaires. Ce travail développe une loi de comportement phénoménologique pour le PA66, prenant en compte les conditions environnementales, les effets d’asymétrie tension-compression et les phénomènes non locaux. Le cadre s’applique également aux composites via l’homogénéisation.

hal.science/tel-04051172

Étude multi-échelles du comportement des alliages à mémoire de forme

Ce travail vise à analyser le comportement multi-échelles d’un alliage à mémoire de forme (AMF) Cu-Al-Be austénitique subissant une transformation martensitique (TM) induite par traction. Du fait de sa forte anisotropie cet alliage est un candidat idéal pour explorer le inhomogénéités qui se développent à l’échelle inter et intragranulaire.

hal.science/tel-03130513

Réduction de modèles et réseaux neuronaux artificiels pour une simulation multi-échelle des matériaux composites

Ce travail vise à développer des outils numériques efficaces pour obtenir des prédictions précises et rapides de réponse des composites tissés. Nous développons des jumeaux virtuels, en utilisant des méthodes basées sur la Décomposition Propre Généralisée non intrusive. Aussi, nous développons une approche basée sur les Réseaux Neuronaux Artificiels, fondé sur des principes thermodynamiques.

hal.science/hal-04334632

Étude multi-échelles du comportement mécanique de composites thermoplastiques recyclés

Cette recherche se focalise sur la relation entre la microstructure des composites thermoplastiques recyclés et les propriétés mécaniques. Le matériau est traité par moulage par compression de copeaux composites tissés hachés, constitués d’une matrice de polyamide PA6 renforcée de fibres de verre. Une étude microstructurale a été menée à l’aide de plusieurs techniques destructives et non destructives dont le MEB et la mCT.

hal.science/hal-04190273