Physique et Mécanique des Milieux Divisés

Modélisation numérique des milieux discrets

Pour étudier le comportement mécanique des matériaux granulaires au moyen de l’approche par éléments discrets, il est souhaitable de pouvoir simuler des éléments volumiques représentatifs avec des déformations macroscopiquement homogènes. Ceci peut être réalisé au moyen de conditions aux limites entièrement périodiques, de sorte que les contraintes ou les déplacements puissent être appliqués dans toutes les directions de l’espace. Nous présentons un cadre général pour les conditions aux limites périodiques dans les matériaux granulaires et sa mise en œuvre plus spécifiquement dans la méthode Contact Dynamics.

qui vise à comprendre le « comment » de la biomécanique du bois et de l’arbre (identifier les relations entre structures et propriétés, ainsi que les mécanismes qui les expliquent), et une approche fonctionnelle, qui vise à comprendre le « pourquoi » de ces propriétés (leur fonction pour l’arbre et la signification biologique de leur diversité).

Les recherches de cet axe sont au cœur de l’ANR StressInTrees, dont l’objectif est la compréhension, aux échelles microscopiques, des mécanismes à l’origine des contraintes de maturation du bois de tension.

Un autre thème concerne la modélisation multi-échelle des propriétés élastiques et viscoélastiques du bois vert, en y intégrant les résultats récents et des mesures complémentaires sur le lien entre déformations du bois et de la cellulose (mesurée par diffraction de rayons X).

Enfin, un dernier thème porte sur le développement de simulation numérique de la mécanique de la croissance du bois à l’échelle du tissu, au travers de collaboration avec l’équipe BIOTIC et l’axe transversal Milieux cellulaires.

Micromécanique des matériaux granulaires

Nous étudions les matériaux granulaires cisaillés composés de particules écrasables au moyen de simulations de la dynamique des contacts et du modèle des cellules liées pour la rupture des particules. Chaque particule est pavée de cellules irrégulières interagissant via des forces cohésives. Dans chaque simulation, le rapport entre la cohésion interne des particules et la pression de confinement, la cohésion relative, est maintenu constant et le pavage est soumis à un cisaillement biaxial. Les particules peuvent se briser en deux ou plusieurs fragments lorsque les forces de cohésion interne sont surmontées par l’action des chaînes de force de compression entre les particules.

La distribution granulométrique évolue pendant le cisaillement car les particules continuent à se briser. Nous constatons que le processus de rupture est très inhomogène tant au niveau de la taille des fragments que de leur emplacement à l’intérieur de l’emballage. En particulier, un certain nombre de grosses particules ne se cassent jamais alors qu’un grand nombre de particules sont entièrement brisées. Par conséquent, l’emballage conserve la mémoire de sa distribution initiale de la taille des particules, alors qu’une distribution de type loi de puissance est observée pour les particules de taille intermédiaire en raison d’événements de fragmentation consécutifs, la mémoire de l’état initial étant perdue. En raison de la polydispersité croissante, des bandes de cisaillement denses se forment à l’intérieur des empilements et le comportement dilatant habituel est réduit ou annulé. Par conséquent, la courbe de contrainte-déformation ne passe plus par un pic de contrainte, et une évolution monotone progressive vers un état pseudo-stationnaire est observée à la place. Nous constatons que la vitesse d’écrasement est contrôlée par la pression de confinement. Nous montrons également que la résistance au cisaillement de l’emballage est bien exprimée en termes d’anisotropies de contact et d’anisotropies de force. L’anisotropie de force augmente alors que l’anisotropie d’orientation du contact diminue pour une cohésion interne croissante des particules. Ces deux effets se compensent mutuellement de sorte que la résistance au cisaillement est presque indépendante de la cohésion interne des particules.

Processus granulaires environnementaux

En tant que matériaux d’origine biologique, les bois présentent une très grande diversité entre espèces et variabilité à l’intérieur d’une espèce, d’un peuplement ou d’un arbre. Cet axe de recherche vise à comprendre, à gérer, puis à valoriser la diversité des bois.

Un premier objectif sera d’élargir la compréhension des déterminants structurels et biologiques de la variabilité de propriétés. Ceci impliquera une prise en compte accrue des différents types de bois formés durant la vie de l’arbre, ainsi que des démarches tendant vers l’intégration des notions de contrôle génétique et environnemental.

Un second objectif sera de gérer la diversité des propriétés et des usages. Ceci implique des approches spécifiques comme la conception de base de données relationnelles permettant des connexions dynamiques entre : différents domaines du comportement mécanique, caractéristiques microstructurales et chimiques, usages connus des espèces et données botaniques systématiques.

Ces avancées dans la connaissance et la gestion de la diversité des propriétés permettront de faire entrer le bois, « à armes égales » avec d’autres matériaux avancés, dans les méthodes de choix de matériaux. Ceci ouvrira la porte à une meilleure valorisation d’essences locales, secondaires ou haut de gamme, notamment dans l’éco-conception et les structures bois.

Suspensions denses et colloïdes

Cet axe de recherche s’appuie fortement sur les interactions que l’on souhaite développer avec le secteur des sciences humaines et sociales, et comprend à ce jour trois volets.

Un premier volet concerne la conservation des objets en bois du patrimoine. Les études ont été jusqu’à maintenant centrées sur les panneaux peints, mais d’autres objets d’étude tels que des éléments de mobilier, des éléments de structures (génie civil, habitat), des instruments de musique sont également envisagés.

Un deuxième volet concerne les usages du bois en facture d’instruments de musique. Hormis l’objet d’étude, la spécificité de la démarche consiste à appréhender, sous l’angle des sciences du bois, les choix techniques d’artisans luthiers détenteurs d’une expertise empirique séculaire. Ces recherches entre dans le cadre de l’action COST WoodMusiCK.

Finalement, un dernier volet port sur la conservation des savoirs traditionnels sur le bois et ses métiers. Les usages du bois par l’homme à travers les siècles et les cultures se sont développés en lien direct avec les caractéristiques mécaniques et physiques du matériau, mais ces questions n’ont été que très peu étudiées sous l’angle, justement, de la mécanique.

Matériaux granulaires cohésifs

Les outils disponibles couvrant une large gamme d’échelles mais aussi de fréquences de sollicitations avec le développement de méthodes expérimentales avancées comme, par exemple, la microscopie à force 

atomique (AFM) en collaboration avec le Laboratoire de Microscopie en Champ Proche du service commun CTM de l’UM2, les mesures ultrastructurales et mécaniques par diffraction X en collaboration avec l’IEM ou encore la spectroscopie par résonance ultrasonore RUS en collaboration avec l’IES. Enfin, la modélisation numérique se développe en appui de ces techniques afin d’identifier les propriétés recherchées par l’utilisation de méthodes inverses (collaboration avec l’équipe M3) ou par le couplage de codes de simulation numérique permettant de regrouper plusieurs physiques (i.e., couplage mécano-sorptif) et d’étudier ainsi les comportements complexes du bois.

Particules molles et biomatériaux

Les outils disponibles couvrant une large gamme d’échelles mais aussi de fréquences de sollicitations avec le développement de méthodes expérimentales avancées comme, par exemple, la microscopie à force 

atomique (AFM) en collaboration avec le Laboratoire de Microscopie en Champ Proche du service commun CTM de l’UM2, les mesures ultrastructurales et mécaniques par diffraction X en collaboration avec l’IEM ou encore la spectroscopie par résonance ultrasonore RUS en collaboration avec l’IES. Enfin, la modélisation numérique se développe en appui de ces techniques afin d’identifier les propriétés recherchées par l’utilisation de méthodes inverses (collaboration avec l’équipe M3) ou par le couplage de codes de simulation numérique permettant de regrouper plusieurs physiques (i.e., couplage mécano-sorptif) et d’étudier ainsi les comportements complexes du bois

Tribologie, contact, frottement, adhérence

Cet axe de recherche s’appuie fortement sur les interactions que l’on souhaite développer avec le secteur des sciences humaines et sociales, et comprend à ce jour trois volets.

Un premier volet concerne la conservation des objets en bois du patrimoine. Les études ont été jusqu’à maintenant centrées sur les panneaux peints, mais d’autres objets d’étude tels que des éléments de mobilier, des éléments de structures (génie civil, habitat), des instruments de musique sont également envisagés.

Un deuxième volet concerne les usages du bois en facture d’instruments de musique. Hormis l’objet d’étude, la spécificité de la démarche consiste à appréhender, sous l’angle des sciences du bois, les choix techniques d’artisans luthiers détenteurs d’une expertise empirique séculaire. Ces recherches entre dans le cadre de l’action COST WoodMusiCK.

Finalement, un dernier volet port sur la conservation des savoirs traditionnels sur le bois et ses métiers. Les usages du bois par l’homme à travers les siècles et les cultures se sont développés en lien direct avec les caractéristiques mécaniques et physiques du matériau, mais ces questions n’ont été que très peu étudiées sous l’angle, justement, de la mécanique.

Modélisation multi-échelle des matériaux de construction

Les outils disponibles couvrant une large gamme d’échelles mais aussi de fréquences de sollicitations avec le développement de méthodes expérimentales avancées comme, par exemple, la microscopie à force 

atomique (AFM) en collaboration avec le Laboratoire de Microscopie en Champ Proche du service commun CTM de l’UM2, les mesures ultrastructurales et mécaniques par diffraction X en collaboration avec l’IEM ou encore la spectroscopie par résonance ultrasonore RUS en collaboration avec l’IES. Enfin, la modélisation numérique se développe en appui de ces techniques afin d’identifier les propriétés recherchées par l’utilisation de méthodes inverses (collaboration avec l’équipe M3) ou par le couplage de codes de simulation numérique permettant de regrouper plusieurs physiques (i.e., couplage mécano-sorptif) et d’étudier ainsi les comportements complexes du bois.

Poromécanique

Les outils disponibles couvrant une large gamme d’échelles mais aussi de fréquences de sollicitations avec le développement de méthodes expérimentales avancées comme, par exemple, la microscopie à force 

atomique (AFM) en collaboration avec le Laboratoire de Microscopie en Champ Proche du service commun CTM de l’UM2, les mesures ultrastructurales et mécaniques par diffraction X en collaboration avec l’IEM ou encore la spectroscopie par résonance ultrasonore RUS en collaboration avec l’IES. Enfin, la modélisation numérique se développe en appui de ces techniques afin d’identifier les propriétés recherchées par l’utilisation de méthodes inverses (collaboration avec l’équipe M3) ou par le couplage de codes de simulation numérique permettant de regrouper plusieurs physiques (i.e., couplage mécano-sorptif) et d’étudier ainsi les comportements complexes du bois.

Thermodynamique des matériaux granulaires

Cet axe de recherche s’appuie fortement sur les interactions que l’on souhaite développer avec le secteur des sciences humaines et sociales, et comprend à ce jour trois volets.

Un premier volet concerne la conservation des objets en bois du patrimoine. Les études ont été jusqu’à maintenant centrées sur les panneaux peints, mais d’autres objets d’étude tels que des éléments de mobilier, des éléments de structures (génie civil, habitat), des instruments de musique sont également envisagés.

Un deuxième volet concerne les usages du bois en facture d’instruments de musique. Hormis l’objet d’étude, la spécificité de la démarche consiste à appréhender, sous l’angle des sciences du bois, les choix techniques d’artisans luthiers détenteurs d’une expertise empirique séculaire. Ces recherches entre dans le cadre de l’action COST WoodMusiCK.

Finalement, un dernier volet port sur la conservation des savoirs traditionnels sur le bois et ses métiers. Les usages du bois par l’homme à travers les siècles et les cultures se sont développés en lien direct avec les caractéristiques mécaniques et physiques du matériau, mais ces questions n’ont été que très peu étudiées sous l’angle, justement, de la mécanique.