- [ VRPG-Doc] Génie mécanique --- هندسة ميكانيكية
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- ItemEndommagement dans les plaques entaillées en FGM(2021-07-13) HOUARI Amin; Encadreur: BOUCHIKHI Aboubakar Seddik; Co-Encadreur: MOKHTARI MOHAMEDالملخص(بالعربية) يهدف عملنا إلى استخدام طريقة جديدة لشبكة العناصر المنتهية من أجل تحليل السلوك اللاخطي لصفيحة مواد متدرجة وظيفيا ذات ثقب دائري. أولا تتمثل خاصية هذه الطريقة في الحصول على تدرج لثلاث أبعاد بالنسبة لخصائص هذه المادة المركبة من مادتين أو حتى ثلاثة مواد، وثانيًا، لأشكال هندسية مختلفة. ومن أجل تسهيل حسابات خصائص الفعالة للمواد المتدرجة وظيفيا (التيتانيوم/بوريد التيتانيوم) بالنسبة لهذه الطريقة، تطرقنا لإنشاء برمجية عددية في برنامج متلاب، حيث تعد هذه الشبكة للعناصر المنتهية أكثر حساسية في استعمالها، ومن هنا تأتي استراتيجية خاصة لاستعمال شبكة العناصر المحدودة المقترحة من أجل تحسين دقة وتقارب النتائج في أقل وقت في الحساب. كما تم تطوير وتنفيذ في الطريقة الثانية برنامج فرعي يعرف سلوك المواد عن طريق المستخدم لكي يدمج داخل برنامج المحاكات أباكوس، من أجل دراسة سلوك الكلي لمواد المتدرجة وظيفيا (التيتانيوم/بوريد التيتانيوم). نفترض أن سلوك في منطقة التشوه الدائم للمواد متدرجة الوظائف (التيتانيوم/بوريد التيتانيوم) تخضع لنظرية تدفق الإجهاد المكافئ لفون ميسس مع متغير تصلب في شكل تزايدي. كما تطرقنا في تطوير الصيغة الإضافية للعلاقة التأسيسية المرنة للتنبؤ بظل استجابة الهيكل للتحميل. بالإضافة إلى ذلك، استخدامنا نموذج تجانس المواد (تامورا-توموتا-أوزاوا) لكل من طريقة برنامج فرعي وطريقة شبكة للعناصر المنتهية لتحديد الخصائص البلاستيكية للمواد متدرجة وظيفيا (التيتانيوم/بوريد التيتانيوم)، ثم أجرينا مقارنة بين الطريقتين في شكل منحنيات إزاحة-القوة من أجل إظهار كفاءة تقنيتنا المقترحة بالتقنية البرنامج الفرعي المعتاد للمستخدم. أما بالنسبة للضرر، فإن استخدام تقنية تمديد العناصر المنتهية في طريقة شبكة العناصر المنتهية جاءت بميزة فصل الهيكل بعد تقدم طول الشق. ومن ناحية أخرى، بالنسبة لتقنية الثانية، استخدامنا نموذج الضرر المستمر حيث تبقى العناصر المنتهية تالفة متصلة بالهيكل. كما سلطنا الضوء على مسار الشق وكذلك سرعة انتشاره تحت تأثير الأس الحجمي مواد متدرجة وظيفيا (التيتانيوم/ بوريد التيتانيوم). كما تم التحقق من صحة النموذجين المستخدمين في هذه الدراسة مع الدراسة التحليلية لنموذج التجانس (تامورا-توموتا-أوزاوا) وكذلك تجريبياً بطريقة اختبارات الشد Résumé (Français) : Notre travail vise à l’utilisation d’une nouvelle méthode de maillage (UMM) proposée pour analyser le comportement non linéaire d'une plaque trouée en FGM. L'avantage de cette méthode est d’avoir la variation des propriétés de ce matériau en trois dimensions pour deux ou même trois constituants et, deuxièmement, pour différentes formes géométriques. Cette méthode nécessite d'établir un programme en MATLAB pour faciliter les calculs des propriétés effectives du FGM (Ti/TiB). Notre technique proposée, la dite UMM est plus sensible au maillage, d’où la stratégie d’adaptation d’un maillage piloté afin d’améliorer la précision et la convergence des résultats sous un temps de calcul minimal. Une deuxième méthode de sous-programme (UMAT) défini par l'utilisateur est développée et implémenté dans le code de calcul ABAQUS, cela pour étudier le comportement élastoplastique couplée à l’endommagement de la plaque trouée en FGM (Ti/TiB). Le comportement élastoplastique de FGM (Ti/TiB) est régi par la théorie d’écoulement de contraintes équivalente de von Mises avec une variable de durcissement sous forme incrémentale. Cette formulation incrémentale de la relation constitutive élastoplastique est développée pour prédire la tangente de la réponse de structure au chargement. De plus, pour déterminer les propriétés plastique de FGM (Ti/TiB), le modèle de TTO a été utilisé à la fois pour les deux méthodes UMAT et UMM. Une comparaison entre les deux méthodes a eu lieu sous forme de courbes charge-déplacement afin de présenter l’efficacité de notre technique par rapport à la technique UMAT habituelle utilisée. Cependant, pour l’endommagement, l’utilisation de la technique XFEM dans notre méthode UMM a montrée son avantage dans la séparation de la structure après l’amorçage de fissure. D’autre part, pour la technique UMAT, on utilise le CDM, où les éléments endommagés restent attachés à la structure. Le chemin de fissure ainsi que sa vitesse de propagation sous l’effet de l’exposant de fraction de volume de la FGM (Ti/TiB) a été mis en évidence. Les deux modèles utilisés dans cette étude (UMM et UMAT) ont été validés analytiquement par le modèle TTO et expérimentalement par les essais de traction. Résumé (Anglais): Our work aims to use a new mesh method (UMM) to analyze the nonlinear behavior of an FGM plate with central hole. The advantage in this method is to have the variation of the properties of this material in three dimensions for two or even three constituents and, secondly, for different geometric shapes. This method requires establishing a program in MATLAB to facilitate the calculations of the effective properties of FGM (Ti/TiB). Our proposed technique, the so-called UMM, is more sensitive to the mesh, hence the strategy of adapting a driven mesh in order to improve the accuracy and convergence of the results under minimal computation time. A second user-defined subroutine (UMAT) method is developed and implemented in the ABAQUS computer code, to study the elastoplastic behavior coupled with the damage of the perforated FGM plate (Ti/TiB). The elastoplastic behavior of FGM (Ti/TiB) is assumed to follow von Mises equivalent stress flow theory with a hardening variable in incremental form. This incremental formulation of the constitutive elastoplastic relation is developed to predict the tangent of the response of structure to the loading. In addition, to determine the plastic properties of FGM (Ti/TiB), the TTO model was used for both the UMAT and UMM methods. A comparison between the two methods was made in the form of load-displacement curves in order to present the efficiency of our technique compared to the usual technique UMAT. However, for damage, the use of the XFEM technique in our UMM method has shown its advantage in separating the structure after crack initiation. On the other hand, for the UMAT technique, CDM is used, where damaged elements remain attached to the structure. The crack path as well as its propagation speed under the effect of the volume fraction exponent of FGM (Ti/TiB) has been demonstrated. The two models used in this study (UMM and UMAT) were validated analytically by the TTO model and experimentally by tensile tests.
- ItemSIMULATION NUMÉRIQUE DE LA FRACTURE DU FÉMUR SOUS CHARGEMENT STATIQUE ET DYNAMIQUE(2017-06-29) Zagane Mohammed El Sallah; Encadreur: Benbarek SmaïlRésumé : L’os est un matériau vivant avec une structure hiérarchique complexe qui lui confère des propriétés mécaniques remarquables. L’os subit perpétuellement des contraintes mécaniques et physiologiques, ainsi sa qualité et sa résistance à la fracture évoluent constamment au cours du temps à travers le processus de remodelage osseux. La qualité osseuse est non seulement définie par la densité minérale osseuse mais également par les propriétés mécaniques ainsi que la microarchitecture. Le but de ce travail est de modéliser la fracture de l’os du fémur sous une sollicitation quasi statique et dynamique afin de créer un modèle numérique simulant les fractures de cet organe due à un accident. Pour atteindre cet objectif, une démarche a été adoptée. La première phase consiste à décrire les constituants élémentaires de l’os. La deuxième phase à pour objectif la modélisation par la méthode des éléments finis du comportement mécanique de la structure osseuse et pour prédire les fractures du fémur. La modélisation se réalisera grâce au code de calcul d’éléments finis ABAQUS. Mot clé : Elément finié; Biomécanique; Fémur; Endommagement; Fracture; statique et dynamique. Abstract : Bone is a living material with a complex hierarchical structure that gives it remarkable mechanical properties. The bone constantly undergoes mechanical and physiological stresses, so its quality and its resistance to fracture evolve constantly over time through the process of bone remodeling. Bone quality is defined not only by bone mineral density, but also by mechanical properties and microarchitecture. The purpose of this work is to model the fracture of the bone of the femur under a quasi static and dynamic stress in order to create a numerical model simulating the fractures of this organ due to an accident. To achieve this objective, an approach has been adopted. The first phase consists in describing the elementary constituents of the bone. The second phase aims at the modeling by the finite element method of the mechanical behavior of the bone structure and to predict the femur fractures. The modeling will be done using the calculation code ABAQUS. Keyword : Finite element; Biomechanics; Femur; Damage; Fracture; Static and dynamic.
- ItemAnalyse du comportement thermomécanique des matériaux composés : type FGM, Bimatériaux, matériaux composites(2021-07-08) ZAOUI Bouchra; Encadreur: BELHOUARI Mohamed; Co-Encadreur: SERIER BoualemRésumé (Français et/ou Anglais) : RESUME Les matériaux composés présentent un intérêt particulier pour l’industrie, ils se substituent de plus en plus aux matériaux traditionnels homogènes dans la plupart des applications industrielles. Pour améliorer les propriétés mécaniques de résistance d’un matériau (matrice) on est emmené à le renforcer par des matériaux de fortes rigidités sous forme de fibres ou de particules (renfort). Ce renfort s’effectue à des températures relativement élevées. Le refroidissement de la liaison fibre-matrice de propriétés physiques différentes conduit à la naissance dans ces deux protagonistes des contraintes résiduelles. D’autres parts, pour profiter au maximum des propriétés mécaniques et physiques diamétralement opposées des céramiques et des métaux, on est amené à les assembler. L’élaboration de cet assemblage (bimatériau) à des températures élevées, induit dans le métal et la céramique prés de leur interface des contraintes internes. Ajoutées aux contraintes de mise en service de plus en plus sévères, ces contraintes sont généralement responsables du dommage prématuré des matériaux composés de types composites et bimatériaux. Ce comportement limite l’utilisation de ces matériaux dans des industries stratégiques. Ainsi, l’analyse de ces contraintes est d’une grande utilité industrielle. Cette étude rentre dans ce contexte et vise à contribuer à la modélisation numérique par la MEF de l’endommagement par fissuration des matériaux composés élaborés à de hautes températures. L’objectif visé est la prédiction numérique de la taille de la zone affectée par ces contraintes. Cette zone est analysée en termes de variation des critères de propagation de fissures. Les matériaux utilisés dans cette étude sont essentiellement les bimatériaux types céramique-métal et céramique-céramique ainsi que les matériaux composites à matrices métalliques. Les résultats obtenus montrent que le mode de propagation des fissures est étroitement lié aux contraintes résiduelles induites près de l’interface. La superposition des contraintes de mise en service aux contraintes résiduelles constitue un risque d’instabilité des fissures en modes I, II et III. Cette analyse a été faite en termes de variation du facteur d’intensité de contraintes, en approche élastique, et d’intégrale J en approche élastoplastique. Une analyse expérimentale, menée sur les bimatériaux type céramique-métal, montre que la résistance mécanique à la traction de la céramique liée au métal a chuté de cinq fois et la ténacité en mode I de la céramique de 50%. Cette dégradation des propriétés est essentiellement due à l’interaction interface-matériaux. La profondeur de la zone endommagée de la céramique déterminée expérimentalement par microscopie électronique à balayage est en très bon accord avec celle obtenue numériquement. La simulation numérique par la MEF permet une bonne prédiction de l’étendue du dommage de la céramique liée au métal. En approche élastoplastique, la profondeur de la zone affectée par la présence des contraintes résiduelles est nettement plus faible que celle résultante de l’approche élastique et ce quelle que soit la nature du bimatériau. L’interposition de joints métalliques, ou de FGM entre la céramique et le métal conduit à une forte relaxation des contraintes thermiques d’élaboration et à la disparition entière de la zone de dommage de la céramique. Une absence totale de l’interaction interface-céramique est observée. Abstract Composed materials are of particular interest to industry; they are increasingly replacing traditional homogeneous materials in most industrial applications. To improve the mechanical strength properties of a material (matrix), it is necessary to reinforce it with high stiffness materials in the form of fibers or particles (reinforcement). This reinforcement takes place at relatively high temperatures. The cooling of the fiber-matrix link with different physical properties leads to the birth of residual stresses in these two protagonists. On the other hand, to make the most of the diametrically opposed mechanical and physical properties of ceramics and metals, we have to assemble them. The elaboration of this assembly (bimaterial) at high temperatures induces internal stresses in the metal and the ceramic near their interface. Added to the increasingly severe commissioning constraints, these constraints are generally responsible for the premature damage of composed materials (composite and bimaterial types). This behavior limits the use of these materials in strategic industries. Thus, the analysis of these constraints is of great industrial utility. This study fits into this context and aims to contribute to the numerical modeling by FEM of the cracking damage of composed materials produced at high temperatures. The objective is the numerical prediction of the weakened zone size by these constraints. This zone is analyzed in terms of variation of the crack propagation criteria. The materials used in this study are essentially bimaterials type ceramic-metal and ceramic-ceramic as well as composite materials with metallic matrix. The results obtained show that the crack propagation mode is closely related to the residual stresses induced near the interface. The superposition of the commissioning stresses on the residual stresses constitutes a risk of cracks instability in modes I, II and III. This analysis was done in terms of variation of the stress intensity factor, in elastic approach, and integral J in elastoplastic approach. An experimental analysis, carried out on ceramic-metal bimaterials, shows that the mechanical tensile strength of the ceramic bonded to the metal has dropped by five times and the mode I toughness of the ceramic by 50%. This degradation of properties is mainly due to the interface-materials interaction. In the case of elastic-plastic behaviour of the structure, it has been shown that the simulation results are coherent with the experimental findings. This indicates that FEM allows an accurate prediction and estimation of the weakening effect of residual stresses on the bonding interface of Alumina. In elastoplastic approach, the depth of the weakened zone affected by the presence of residual stress is significantly lower than that resulting from the elastic approach regardless of the bimaterials nature. The interposition of metallic joint, or of FGM between the ceramic and the metal leads to a strong relaxation of the residual stresses and to the complete disappearance of the weakened zone of the ceramic. A complete absence of the interface-ceramic interaction is observed.
- ItemOptimisation de performance thermique et dynamique d’un capteur solaire(2021-07-07) ZINA Boucif; Encadreur: BENAMARA Nabil; Co-Encadreur: LAOUEDJ SamirRésumé (Français et/ou Anglais) : Le capteur solaire à air est utilisé pour augmenter la température de l'air en absorbant de l'énergie solaire, son rendement thermique est généralement faible en raison du faible coefficient de convection entre la plaque chauffant et l'air qui entre dans la conduite à cause de la génération d'une sous-couche visqueuse sur la plaque chauffant agissant comme couche résistante au transfert de chaleur. Par conséquent, pour augmenter le coefficient de transfert de chaleur donc amélioration de l'efficacité thermique, des diverses méthodes ont été utilisées dans le but de casser la sous-couche (visqueuse) laminaire de manière à créer des turbulences dans la zone de transfert de chaleur. La méthode la plus efficace pour l’amélioration du rendement consiste à créer une rugosité artificielle sous la plaque d'absorption afin de créer des turbulences dans l’écoulement de l’air à chauffer. En effet, ce travail de thèse porte sur une étude numérique bidimensionnelle réalisée à l'aide de la dynamique des fluides computationnels (CFD) dans le but d’analyser et améliorer le rendement thermique et dynamique d’un capteur solaire à air par l’utilisation d’une nouvelle géométrie de rugosité artificielle de type nervure transversale , celui-ci dépend de la découverte de l’influence des différents paramètres géométriques et des paramètres de fonctionnement. Donc, des nervures installées au-dessous de la plaque d'absorption sont sous forme d’un triangulaire à un coin supérieur semi-circulaire à investiguer. En outre, les résultats des performances thermohydrauliques de cette thèse ont été analysés et comparés à des conduites lisses pour bien choisir la conception optimale. The solar air collector is used to increase the air temperature by absorbing the heat from solar energy. The thermal efficiency of the solar air heater is generally low due to the low heat transfer coefficient between the absorber plate and the air int to the duct due to the formation of the laminar sub-layer on the absorber plate to increase the heat transfer coefficient and thermal efficiency, various methods have been used for breaking the laminar sub-layer to create turbulence in the heat transfer area and increasing the heat transfer coefficient, The best method for improving the heat transfer is to create an artificial roughness under the absorber plate to create turbulence for separation and reattachment of the laminar sub-layer. In this thesis work focuses on a numerical study on two-dimensional using computational fluid dynamics (CFD) to improve the thermal and dynamic performance of collector by using new cross-rib type artificial roughness geometry, and to predict the influence of different turbulence promoter geometry and operating parameters on heat transfer and pressure drop. The shape of the ribs installed along the absorption plate is triangular with a semi-circular upper corner are investigated The thermohydraulic performance results of this thesis have been analyzed and compared to smooth ducts to select the optimal design.
- ItemContribution à la rééducation d’un membre d’un être humain par un robot(2024-03-07) Ayad Salheddine; Encadreur: Bouchikhi aboubakar seddikRésumé (Français) : En raison de l'augmentation du nombre de patients présentant des déficits de marche importants, le besoin d'outils sophistiqués pour aider le patient à effectuer différents types d'exercices d'entraînement à la locomotion est très pertinent. La plateforme de marche au sol (GWP) est une des nouveaux systèmes robotiques de rééducation de la marche qui visent à simuler différentes types de sol pour un patient (par exemple, sol plat, colline ... etc.) avec différents matériaux haptiques (par exemple eau, sable, glace, etc. ..etc.). Le système visé dans cette thèse vise à fournir à l'utilisateur des forces de réaction au sol simulées basées sur les mouvements des utilisateurs dans un environnement de réalité virtuelle en déployant deux repose-pieds robotiques à 6 degrés de liberté. Chaque plaque de base se compose de deux mécanismes nommés: mécanisme XYZ et plate-forme Stewart. Dans l'ensemble, la plateforme Stewart se compose de pièces légères, tandis que les parties du mécanisme XYX sont lourdes. Le but du mécanisme XYZ est de simuler les mouvements de translation tandis que l'objectif de la plate-forme Stewart est de simuler le mouvement de rotation ainsi que d'augmenter la précision des mouvements de translation. Une commande d'admittance / impédance basée sur la position a été adoptée pour contrôler le système. Cela nous permet de définir la relation appropriée entre la position et les forces d'interaction pour la plateforme de marche au sol. La stratégie de contrôle d'admittance / impédance a d'abord été testée sous l'hypothèse d'utiliser une plateforme idéal (la sortie de la plateforme suit bien l'entrée). À partir de données réelles, les résultats montrent une bonne détection de l'interaction entre le pied et les différents milieux, tandis que la simulation du robot donne des résultats concernant les propriétés des milieux simulés. Le contrôle d'admittance / impédance a également été testé en incluant les paramètres dynamiques du mécanisme XYZ et de la plate-forme Stewart. Les résultats montrent que si le mécanisme XYZ a bien fonctionné dans la simulation des mouvements à basse fréquence, une certaine inertie résiduelle est apparue lors de la simulation de mouvements à haute fréquence. Néanmoins, la simulation de mouvements à haute fréquence à l'aide de la plateforme Stewart a montré de meilleures performances dans la simulation de l'environnement virtuel souhaité. Cela démontre que la bande passante des deux systèmes combinés est suffisamment grande pour simuler la plupart des types de mouvements. Abstract (English) : Due to the increase in the number of patients with significant gait deficits, the need for sophisticated tools to assist patients with performing different kinds of locomotion training exercises is highly relevant. Ground walking platforms are among the new robotic gait rehabilitation systems that aim to simulate different ground trajectories for a patient (e.g., level ground, hill, etc.) with different haptic materials (e.g., water, sand, ice, etc.). The system targeted in this thesis aims to provide the user with simulated ground reaction forces based on the user’s movements in a virtual reality environment by deploying two six-degrees-of-freedom robotic footplates. Each footplate consists of two mechanisms: a XYZ mechanism and the Stewart platform. Overall, the Stewart platform consists of light parts, while the parts of the XYZ mechanism are heavy. The aim of the XYZ mechanism is to simulate translation movements, while the objective of the Stewart platform is to simulate rotational movements as well as to increase the precision of the translational movements. A position-based admittance/impedance control was adopted for controlling the system. This allows us to define the suitable relation between position and interaction forces for the ground walking platform. The admittance/impedance control strategy was first tested under the assumption of using an ideal hardware (the output from the hardware follows the input well). Using real data, the results show good detection of interaction between the foot and different mediums, while the simulation of the robot gives results concerning the properties of simulated mediums. The admittance/impedance control was also tested by including the dynamic parameters of the XYZ mechanism and Stewart platform. Results show that while the XYZ mechanism performed well in simulating low-frequency movements, some residual inertia appeared when simulating high-frequency movements. Nevertheless, the simulation of high-frequency movements using the Stewart platform exhibited better performance in simulating the desired virtual environment. This demonstrates that the bandwidth of both systems combined is large enough to simulate most types of movements.
