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Du matériau à la structure
Vincent Marcadon
To cite this version:
Vincent Marcadon. Comportement mécanique des architectures cellulaires - Du matériau à la struc-ture. Sciences de l’ingénieur [physics]. UNIVERSITE PARIS-SACLAY, 2019. �tel-02189204�
Comportementmécaniquedesarchitecturescellulaires
-Dumatériauàlastructure-parVincentMarcadon
HabilitationàDirigerdesRecherches UniversitéParis-Saclay soutenuele3avril2019devantlejurycomposéde: Rapporteurs Examinateurs Invité Nicolas Auffray Rémy Dendievel Thomas Pardoen Clotilde Berdin Dominique Poquillon Pierre Gilormini Serge KruchRemerciements
Je souhaite en premier lieu remercier les membres de mon jury d’Habilitation à Diriger des Recherches, Clotilde Berdin, Dominique Poquillon, Nicolas Auffray, Rémy Dendievel, Pierre Gilormini et Thomas Pardoen, pour leur lecture approfondie du manuscrit et la riche discus-sion que nous avons eue lors de la soutenance. Les débats qui en ont découlé m’ont permis de conforter certaines idées, d’en remettre certaines autres en question, et d’entrevoir de nou-velles perspectives à mes travaux. Je remercie aussi tout particulièrement les trois rapporteurs du présent manuscrit pour les analyses détaillées qu’ils en ont proposées et leurs rapports très constructifs.
Tout au long de la préparation de mon Habilitation à Diriger des Recherches, et lors de la soutenance, j’ai aussi pu compter sur le soutien et les critiques avisées de mon collègue Serge Kruch. Cela fait maintenant une dizaine d’années que nous travaillons ensemble à la caractérisation et à la modélisation du comportement mécanique des architectures cellulaires, entre autres. Les discussions que nous pouvons avoir, qu’elles soient scientifiques ou qu’il y soit question du fonctionnement de l’ONERA et de son futur ... voire de la société, sont toujours très riches et très souvent convergentes.
Je tiens aussi à remercier mes collègues, passés et présents, de l’ancien Département des Matériaux Métalliques et Procédés, puis Département des Matériaux et des Structures Métal-liques, et aujourd’hui Département Matériaux et Structures. Qu’il s’agisse des personnels ad-ministratifs ou techniques, la bonne humeur est toujours au rendez-vous et il est fort agréable de travailler ensemble au quotidien. J’ai bien sûr une pensée particulière pour mes collègues, Cécile Davoine, Camille Liard, Denis Boivin, Nicolas Horezan, Bertrand Langrand, David Lé-vêque, Didier Mézières et Gérald Portemont, ainsi que Fabienne Popoff, Pierre Josso et Alain Rafray maintenant à la retraite, et Samuel Forest du Centre des Matériaux. Les résultats décrits dans ce manuscrit leur doivent beaucoup à eux aussi, tout comme à Alexandre Iltchev et Pierre Gelineau. Merci à ces derniers, ainsi qu’à Edi Fernandes Pereira et aux différents stagiaires que j’ai pu encadrer, pour la confiance qu’ils m’accordent, ou m’ont accordée, pour les aider à orienter leurs travaux de recherche et à parachever leur formation. Merci à tous pour votre investissement et votre sympathie au quotidien.
Même s’ils ne sont pas mis à l’honneur dans ce manuscrit, je remercie aussi les collègues du Département Matériaux et Structures, ainsi que ceux du Département Multi-Physique pour l’Energétique, avec lesquels je travaille sur différentes thématiques autres que les architectures cellulaires, telles que la prédiction de durée de vie des structures chaudes, les propergols ou les contraintes résiduelles.
Au moment des remerciements, j’ai également une pensée pour mes collègues représentants du personnel, avec lesquels nous essayons de faire en sorte que l’ONERA conserve un ADN d’organisme de recherches où les personnels ont plaisir à travailler, ainsi que pour les personnels du Comité de l’Etablissement ONERA d’Ile-de-France. Il ne s’agit plus là de considérations
du point de vue des rapports humains et des rouages fonctionnels d’une structure telle que celle de l’ONERA. Les problématiques rencontrées dans ce cadre amènent aussi parfois à relativiser l’urgence des problématiques scientifiques.
Je finirai ces remerciements en pensant bien sûr à mes proches pour leur soutien, mes frères et sœurs, mes parents, ainsi que ma belle-mère ... les grands-parents auront été mis à contribu-tion au cours de ces derniers mois particulièrement studieux. Merci infiniment à ma femme et à mes filles pour leur soutien et leur compréhension à elles aussi, et surtout pour leur amour de tous les jours.
à Marie, à Olivia et Lauriane.
Table des matières
Préambule 9
1
rePartie : Parcours de recherche
13
Curriculum Vitae 13
Activités de recherche 14
Activités d’encadrement 22
Publications et communications 24
Projets et rapports techniques 31
Autres activités d’animation 34
2
ePartie : « Mechanical behaviour of cellular architectures »
39
Introduction 39
1 Bibliography 43
1.1 Collapse mechanisms and localized plasticity . . . 43
1.2 High temperature behaviour of cellular architectures . . . 46
1.3 Multi-scale modelling of cellular architectures . . . 47
1.4 Instability modes . . . 49
1.5 Dynamic behaviour of cellular architectures . . . 50
1.6 Topological optimization . . . 51
2 Contributions at the different scales 55 2.1 Experimental characterization of brazed hollow-sphere stackings . . . 55
2.1.1 Processing of brazed hollow-sphere stackings . . . 55
2.1.2 Collapse mechanisms . . . 57
2.2 Role of the stacking geometry . . . 58
2.2.1 Finite-element modelling assumptions . . . 59
2.2.2 Study of localized plasticity pheneomena . . . 61
2.3 Role of the constitutive material behaviour . . . 64
2.3.1 Micromechanical modelling of porosities effect . . . 64
2.3.2 Finite-element modelling of high porosity rates . . . 68
2.3.3 Influence of a variation of the constitutive material behaviour . . . 69
2.4 Geometrical dispersion and defects . . . 72
2.4.1 Introduction of a geometrical dispersion . . . 72
2.4.2 Modelling compressive and shear loads . . . 74
2.4.3 Sensitivity to geometrical dispersion . . . 77
2.4.4 Understructures and collapse mechanisms . . . 78
2.4.5 Influence of a central defect . . . 80
2.4.6 Finite vs. infinite stackings . . . 85
2.5 First general trends . . . 86
3 Predictive modelling of cellular architectures behaviour 87 3.1 A model cellular structure . . . 87
3.1.1 Processing route of tube stackings . . . 87
3.1.2 Heat treatments and microstructural evolutions . . . 88
3.2 Mechanical behaviour of the constitutive materials . . . 93
3.2.1 Macroscopic tests on isolated tubes . . . 93
3.2.2 Micro-indentation measurements . . . 95
3.2.3 Influence of brazing heat treatments and phosphorus diffusion . . . 96
3.3 Overall mechanical behaviour of tube stackings . . . 97
3.3.1 Compression behaviour of tube stackings . . . 97
3.3.2 Modelling of sandwich structures . . . 98
3.3.3 Relevance of the modelling approach . . . 104
3.4 Importance of considering the micro-scale . . . 107
4 Periodic homogenization of cellular architectures 109 4.1 Multi-axial behaviour of cellular architectures . . . 109
4.1.1 Homogenization method . . . 109
4.1.2 Homogenized uni-axial mechanical responses . . . 111
4.1.3 Planar bi-axial yield surfaces . . . 113
4.1.4 General multi-axial loading cases . . . 115
4.2 Identification of homogeneous equivalent laws . . . 118
4.2.1 Square stacking . . . 118
4.2.2 Hexagonal stacking . . . 121
4.3 Modelling of sandwich structures . . . 124
4.3.1 Geometries and modelling assumptions . . . 124
4.3.2 Boundary effects . . . 126
4.4 Accounting for yield surfaces shape evolution . . . 131
4.4.1 Reference experiments . . . 131
4.4.2 Dependance on the cumulated plastic strain . . . 133
4.4.3 Square stacking yield surface evolution . . . 135
4.4.4 Hexagonal stacking yield surface evolution . . . 137
4.4.5 First comparison between HEM-based modelling and experiment . . . 140
TABLE DES MATIÈRES 7 5 About the behaviour of cellular architectures under extreme loads 143
5.1 High compaction behaviour of cellular architectures . . . 143
5.1.1 Experimental analysis . . . 144
5.1.2 FE modelling of high compaction levels . . . 148
5.1.3 Modelling structural instabilities . . . 152
5.2 High temperature behaviour of cellular architectures . . . 155
5.2.1 Influence of temperature on the constitutive material behaviour . . . 155
5.2.2 Mechanical test campaign on the tube stacking structure . . . 159
5.2.3 Modelling elasto-viscoplastic behaviour of tube stackings . . . 162
5.3 Specific behaviour features under extreme loads . . . 166
Conclusions 167
3
ePartie : Orientations pour le futur
171
Homogénéisation du comportement des matériaux et des structures 171 Lois homogènes équivalentes en grandes déformations et instabilités . . . 171Homogénéisation des milieux très fortement chargés : les propergols solides . . 173
Homogénéisation de l’endommagement dans les chambres de combustion . . . 174
Enrichissement du dialogue entre essais et modélisations 176 Exploitation des champs locaux par corrélation d’images . . . 176
Prise en compte des défauts d’architecture . . . 178
Identification de propriétés mécaniques par micro-indentation instrumentée . . 179
Vers toujours plus de physique dans les modèles 180 Comportement mécanique des propergols solides et effets du vieillissement . . 181
Modèles de prédiction de durée de vie appliqués aux chambres de combustion . 182 Modélisation multi-échelle des architectures cellulaires . . . 184
Préambule
Ce manuscrit a été rédigé dans le but d’obtenir mon Habilitation à Diriger des Recherches. Il s’agit donc d’un document répondant à trois objectifs complémentaires permettant d’évaluer mon parcours de chercheur.
La première partie du document présente un bilan exhaustif de mon parcours académique et de mes activités de recherche réalisées depuis l’obtention de mon doctorat. Le lecteur trouvera dans cette partie, outre une synthèse des sujets de recherche sur lesquels j’ai travaillé ou je travaille, les listes de mes publications, conférences, séminaires, brevets et autres contributions écrites ou orales pour lesquelles j’ai été amené à présenter mes travaux. Même s’il s’agit ici d’un raccourci dans la formulation, ces travaux sont bien sûr le fruit de collaborations indispensables avec de nombreux autres collègues. Dans ce chapitre, sont aussi décrites les différentes activités d’animation que je mène, qu’il s’agisse d’activités à caractère scientifique (expertise pour des revues ou des organismes, enseignement ou organisation de séminaires) ou bien en tant qu’élu d’instances représentatives du personnel de l’ONERA.
La deuxième partie du document constitue une réflexion sur la caractérisation et la mo-délisation du comportement mécanique des architectures cellulaires. Cette classe de matériaux, dont les structures en nid d’abeilles sont peut-être les représentantes les plus célèbres, connaît un certain engouement depuis une vingtaine d’années. Plus précisément, de telles architectures pré-senteraient des propriétés spécifiques (c’est-à-dire rapportées à leur masse) plus avantageuses que celles de leurs équivalents massifs. Il serait aussi possible de développer des architectures multi-fonctionnelles combinant des propriétés parfois antagonistes. Avec le développement des procédés de fabrication additive, la mise en œuvre de telles architectures, légères, dont le de-sign pourrait être optimisé à la demande, est une problématique qui intéresse très fortement les industriels, en particuliers ceux du secteur aéronautique. C’est dans ce contexte que j’ai effec-tué la majorité de mes activités de recherche depuis mes débuts à l’ONERA. Comme nous le verrons, si sur le papier tout semble imaginable, dans la réalité la proposition de nouvelles archi-tectures n’est pas si évidente car la complexité des phénomènes observés nécessite de lever de nombreux verrous scientifiques. Nous ne nous intéresserons ici qu’aux propriétés mécaniques de ces architectures mais dans un cadre non-linéaire pouvant résulter du comportement du ma-tériau constitutif (écrouissage, viscosité) ou d’effets de structure (flambement des cellules en grandes déformations, apparition de contacts internes). De façon sous-jacente, la question des différentes échelles caractéristiques (microstructure du matériau constitutif des parois, taille des cellules, taille de la structure) et de leur séparabilité sera aussi posée. Cette partie du manus-crit est rédigée en anglais car elle repose pour l’essentiel sur des travaux déjà publiés dans des revues internationales.
La troisième et dernière partie propose quant à elle des voies de recherche qu’il me paraît in-téressant d’explorer pour la suite dans le cadre de la problématique des architectures cellulaires, mais aussi des autres problématiques sur lesquelles je travaille.
1
re
Partie
13
Curriculum Vitae
Vincent Marcadon Ingénieur de Recherche (MR1) Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales
Département Matériaux et Structures (DMAS) 29 Av. de la Division Leclerc, BP 72
92322 Châtillon Cedex
Cursus :
depuis 2005 Ingénieur de Recherche ONERA (promu Maître de Recherche niveau 1 depuis le 1erseptembre 2017).
2002 - 2005 Thèse de Doctorat en Mécanique des Matériaux au Laboratoire de Méca-nique des Solides (LMS), Ecole PolytechMéca-nique, Palaiseau (91). Thèse soute-nue le 8 septembre 2005, mention Très Honorable. Effets de taille et d’inter-phase sur le comportement mécanique de nanocomposites particulaires. Co-encadrement : A. Zaoui, LMS, Ecole Polytechnique, D. Brown, Laboratoire des Matériaux Organiques à Propriétés Spécifiques (LMOPS), Université de Savoie. Directrice de thèse : E. Hervé, LMS, Ecole Polytechnique.
1999 - 2002 Diplôme d’ingénieur ISAE-ENSMA (Ecole Nationale Supérieure de Méca-nique et d’AérotechMéca-niques), Poitiers (86).
2002 Diplôme d’Etudes Approfondies P2M2 (Propriétés Physiques et Mécaniques des Matériaux), Université de Poitiers, mention Très Bien. Sujet de stage : Comportement en fatigue d’assemblages collés en T. Encadrement : Y. Nadot, Institut PPRIME LMPM (Laboratoire de Mécanique et Physique des Maté-riaux), ISAE-ENSMA.
2001 Maîtrise de mécanique, Université de Poitiers, mention Très Bien.
1997 - 1999 Classes préparatoires filière PSI (Physique et Sciences de l’Ingénieur), lycée Lafayette, Clermont-Ferrand (63).
1997 Bac S option Technologie Industrielle, lycée Jean Monnet, Yzeure (03), men-tion Assez Bien.
Activités de recherche
La modélisation multi-échelle du comportement mécanique des matériaux hétérogènes ap-paraît comme un fil conducteur de mes activités de recherche. Néanmoins, grâce à l’étendue de cette thématique, j’ai pu la décliner dans une large gamme d’applications visées, de maté-riaux étudiés et d’échelles considérées. Ma première rencontre avec cette problématique date de mes travaux de thèse sur la prise en compte d’effets de longueurs internes dans les modèles d’homogénéisation à champs moyens du comportement des nanocomposites à matrice poly-mère. Par la suite, mon embauche à l’ONERA a été l’occasion de changer radicalement de matériaux et d’échelles pour m’intéresser au comportement des architectures cellulaires métal-liques, pour des applications de résistance aux chocs notamment. Plus récemment, j’ai opéré un glissement vers la problématique des hautes températures, glissement amorcé dans le cadre des architectures cellulaires et qui se poursuit sur les chambres de combustion multi-perforées des turbomachines. En parallèle, je m’intéresse de nouveau aux matériaux polymères dans le cadre de travaux sur le comportement mécanique et le vieillissement des propergols solides. Les différentes approches que j’ai mises en oeuvre pour traiter ces problématiques sont décrites par la suite. En particulier, je me suis attaché à comprendre et à caractériser les phénomènes qui, à chaque échelle caractéristique de ces différents matériaux, influencent leur comportement ma-croscopique. On notera aussi une part toujours grandissante concernant l’étude des mécanismes non-linéaires (non-linéarité du comportement des matériaux, effets de la géométrie, contact, grandes déformations) dans les travaux que j’ai menés. L’ensemble des travaux que j’ai réalisés s’est appuyé sur un dialogue approfondi avec mes collègues des essais mécaniques et de l’élabo-ration des matériaux, ce quelle que soit l’application visée. La mise en oeuvre d’un tel dialogue a pour but d’appréhender la modélisation comme un outil d’analyse des phénomènes observés (en pouvant isoler l’effet de certains d’entre eux par exemple en travaillant sur des matériaux modèles) et non comme le fruit d’une calibration permettant un ajustement à l’expérience.
Couplage entre propriétés du matériau et procédé d’élaboration
Lorsque l’on parle de matériaux hétérogènes - tout matériau pouvant apparaître comme hétérogène à une certaine échelle - leur comportement effectif découle principalement de mé-canismes associés à l’échelle microscopique des phases ou des matériaux constitutifs. Pour illustrer ce propos, lors de mes premiers travaux sur les matériaux cellulaires, la plupart des modélisations disponibles dans la littérature pour prédire un plateau de densification, plateau classiquement observé lors de l’écrasement de ces matériaux, faisaient l’hypothèse d’une plas-ticité parfaite. Dans la réalité, ce plateau est associé à l’écrasement progressif des cellules par déformation plastique, voire flambement. Il suit une première phase de chargement élastique ou pseudo-élastique qui a lieu aux faibles déformations. Il représente la plus grande partie du comportement en compression des architectures cellulaires. Le niveau de contrainte auquel il se produit et l’amplitude de déformation concernée sont donc des caractéristiques essentielles pour dissiper un maximum d’énergie mécanique, aussi bien en quasi-statique qu’en dynamique. Or, ce plateau de densification est gouverné à la fois par des effets d’architecture (géométrie des cellules constitutives, présence de défauts d’empilement, etc.), mais aussi par le comportement plastique des parois des cellules. En particulier, je me suis attaché à montrer que ces différentes contributions sur le comportement effectif du matériau cellulaire sont du même ordre de gran-deur, pointant de fait la nécessité d’une caractérisation fine et in situ de ce comportement en tenant compte des effets du procédé d’élaboration.
Activités de recherche 15 Par la suite, j’ai donc toujours cherché à établir un lien très fort entre les travaux d’élabo-ration et de caractérisation microstructurale réalisés par mes collègues et ceux que je réalisais sous l’angle de la caractérisation et de la modélisation du comportement mécanique des ma-tériaux étudiés. En particulier, des études approfondies ont été réalisées afin de comprendre le lien entre le traitement thermique de brasage et les propriétés visco-plastiques des maté-riaux constitutifs dans le cas des architectures cellulaires. Par exemple, si on considère le cas des empilements de tubes sur lequel je me suis focalisé en tant qu’architecture modèle, les ef-fets observés sont spectaculaires. De par leur fabrication, les tubes présentent initialement un état de très fort écrouissage qui se relaxe lors du traitement thermique de brasage. L’évolution des propriétés mécaniques observées est corrélée à une évolution des textures et des niveaux de contraintes résiduelles intra-granulaires que nous avons pu observer par microscopie élec-tronique à balayage. Avec mes collègues des essais, nous avons donc développé des moyens d’essais sur tubes, à froid comme à chaud. L’étude de cette problématique en température s’est révélée encore plus riche qu’à température ambiante car j’ai en effet pu mettre en évidence une certaine compétition entre mécanismes de viscosité et de plasticité. Grâce à l’identification d’une loi de comportement bi-potentielle, j’ai ainsi pu appréhender les effets de saturation de la contrainte visqueuse observés sur le comportement et rendre compte, au travers de la simulation d’essais de compression à chaud, d’un adoucissement observé en début de plateau de densifi-cation uniquement à haute température (fig. 1). L’utilisation de cette loi dans une modélisation éléments finis a ainsi permis de mettre en évidence un rééquilibrage progressif entre une relaxa-tion locale des contraintes et un écrouissage plastique, très localisé dans les premiers instants du chargement puis se diffusant plus largement à l’échelle de l’architecture.
(a) 0 2 4 6 8 10 -U2(mm) 0 500 1000 1500 2000 2500 -F2 (N) 800 C, -0.1 mm/min 800 C, -1 mm/min FEM, -0.1 mm/min FEM, -1 mm/min (b)
FIGURE 1 – Comparaison entre expériences et simulations lors d’essais de compression à
800◦C sur architectures cellulaires à base d’empilements de tubes : prédiction de l’adoucis-sement observé en début de plateau de densification dû à la compétition entre mécanismes de plasticité et de viscosité à l’échelle locale. Résultats publiés dans [Marcadon et al., 2016a, Marcadon et al., 2016b].
Afin d’aller plus loin dans cette démarche de caractérisation des matériaux à l’échelle mi-croscopique, je m’intéresse de façon plus ponctuelle à la micro-indentation instrumentée (ac-quisition en continu de l’enfoncement de l’indenteur et de l’effort appliqué) comme moyen de caractérisation in situ des matériaux. Dans le cas des architectures cellulaires, cette question
concerne en premier lieu la caractérisation des brasures dont le comportement est totalement inconnu et peut varier très fortement en fonction du traitement de brasage et de la diffusion de certains éléments chimiques présents dans les matériaux considérés. De manière générale, cette technique peut aussi être exploitée pour les systèmes barrière thermique ou les assem-blages soudés. Ces travaux ont été l’occasion d’une étude concernant la sensibilité des essais d’indentation aux propriétés d’écrouissage du matériau (fig. 2). Cette problématique est parti-culièrement d’actualité car on trouve peu de travaux dans la littérature utilisant un indenteur sphérique, même si ce dernier permet de balayer un large intervalle de déformation plastique. Ils sont en revanche plus nombreux à utiliser un indenteur pyramidal bien qu’il ne sollicite le matériau que pour un seul niveau de déformation plastique constant au cours de l’essai, d’où des problèmes de non-unicité des lois identifiées.
(a) (b)
FIGURE 2 – Simulation d’un essai de micro-indentation instrumentée avec un indenteur
sphé-rique : mise en évidence d’une sensibilité de la courbe d’indentation au type d’écrouissage choisi pour représenter un même comportement monotone.
Défauts, endommagement et mécanismes non-linéaires
L’échelle mésoscopique est une échelle intermédiaire à laquelle on rencontre essentielle-ment les effets de l’architecture du matériau sur son comporteessentielle-ment effectif. Dans le cas des composites, elle est particulièrement importante car c’est à cette échelle qu’on observera les effets de la dispersion des particules de renfort. Dans le cadre de mes travaux, je me suis par exemple intéressé à l’existence de longueurs caractéristiques dans les nanocomposites particu-laires. Grâce à l’utilisation de la dynamique moléculaire, j’ai pu mettre en évidence l’existence d’une interphase de matrice perturbée (dont le comportement était différent de celui de la ma-trice pure) entourant les particules de renfort, ceci à cause des interactions entre chaînes de polymère de la matrice et renforts. Cette longueur caractéristique a ainsi pu être introduite dans des modèles d’homogénéisation à champs moyens pour rendre compte d’un effet de taille des particules sur le comportement des nanocomposites. De la même manière, un effet de distance inter-particulaire a pu être introduit. La question des effets de dispersion sur le comportement des composites à matrice polymère est toujours au centre de mes préoccupations, via les travaux que je mène depuis peu sur les propergols solides, et pour lesquels j’étudie en détail la notion
Activités de recherche 17 de leur volume élémentaire représentatif. Grâce à la simulation éléments finis, je cherche en particulier à caractériser les effets de la distribution des particules sur les propriétés mécaniques effectives du propergol, matériau très fortement poly-disperse (c’est-à-dire ayant un spectre de distribution de taille des particules très large) et très sensible aux phénomènes d’agrégats et de percolation des renforts dans la réalité compte-tenu des taux de charge très élevés. On no-tera que le comportement hyper-élastique de la matrice en élastomère contribue fortement à complexifier le comportement non-linéaire effectif de ces matériaux.
Concernant les architectures cellulaires, mes travaux à l’échelle mésoscopique ont princi-palement concerné l’étude des effets d’une dispersion de la géométrie des cellules constitutives ou de l’existence d’éventuels défauts dans l’architecture sur le comportement effectif du ma-tériau cellulaire (fig. 3). Dans le cadre des petites déformations et des empilements de sphères creuses, j’ai ainsi pu démontrer via la simulation éléments finis que, davantage que l’amplitude de dispersion géométrique observée sur les parois des sphères ou la taille des brasures, c’est la distribution des éléments les plus faibles par rapport à la direction de chargement qui im-porte. Il existe des distributions des défauts (parois de cellules plus fines, brasures plus étroites, sphères manquantes) particulièrement critiques en termes d’abattement des propriétés effectives du matériau. Ces travaux ont été approfondis dans le cas des empilements de tubes en grandes déformations, et se poursuivent actuellement. Il a ainsi été montré, au travers d’essais et de simulations éléments finis, que l’existence d’une faiblesse locale de l’architecture peut influen-cer les modes d’instabilité et de flambement observés lors de l’écrasement de l’architecture en fonction du type d’empilement.
(a) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -E33(%) 0 2 4 6 8 10 -Σ 33 (MPa) no dispersion horizontal dispersion diagonal dispersion random dispersion vertical dispersion (b)
FIGURE 3 – Effet d’une dispersion géométrique de l’épaisseur des parois des sphères sur le
comportement effectif des empilements de sphères creuses. Les sphères avec un point bleu sont d’une épaisseur de paroi plus fine que la moyenne alors que celles avec une point rouge sont plus épaisses. Mise en évidence de distributions des défauts par rapport à la direction de sollicitation plus pénalisantes que d’autres. Résultats publiés dans [Marcadon, Kruch, 2013].
Du point de vue des méthodes numériques, les travaux menés sur la modélisation de l’écra-sement des architectures cellulaires ont été pour moi l’occasion de développer des compétences concernant les grandes déformations et les problèmes de contact qui apparaissent de façon géné-ralisée à l’échelle de l’architecture lors de l’écrasement des cellules. Ces travaux ont aussi per-mis de confronter les codes Z-set, en implicite, et Europlexus, en explicite, sur des cas de calcul
très fortement non-linéaires (non-linéarité du comportement du matériau, non-linéarité géomé-trique, contact) en grandes déformations. Il a ainsi été mis en évidence une quasi-superposition des courbes prédites quels que soient la formulation en grandes déformations utilisée ou le type d’élément choisi, permettant ainsi de mettre en avant la robustesse des codes. Ces travaux ont aussi été l’occasion d’une confrontation entre comportements quasi-statique et dynamique des architectures cellulaires. En particulier, les effets de vitesse de sollicitation sur le comportement des architectures cellulaires ont été étudiés, notamment en termes d’analyse des contributions respectives de la viscosité du matériau constitutif et des effets d’inertie dans l’architecture.
(a) (b)
FIGURE 4 – Simulation d’essais de fatigue en traction-torsion à 600◦C sur matériau pour
chambres de combustion. Ces travaux sont réalisés en parallèle de la thèse de E. Fernandes Pereira et ont pour but d’évaluer la pertinence des modèles de prédiction de durée de vie en interaction fatigue-fluage sous chargements multi-axiaux.
La question de l’endommagement des matériaux à l’échelle locale s’est aussi posée à plu-sieurs reprises. Dans le cas des architectures cellulaires, les travaux que j’ai pu réaliser ont mis en évidence un comportement souvent fragile des brasures, à cause de la présence d’inter-métalliques, se traduisant par l’apparition de micro-fissures. Au travers de la modélisation et de l’utilisation de modèles d’endommagement j’ai ainsi pu montrer que, si l’introduction d’un endommagement permet certes d’améliorer la confrontation entre essais et calculs aux grandes déformations, cela ne semble pas être le facteur essentiel. En effet, les simulations réalisées ont montré qu’une caractérisation fine de la topologie des brasures, qui se révèle assez déli-cate compte-tenu des dispersions observées, semble être plus importante en termes d’influence sur le comportement de l’architecture cellulaire. Plus récemment, cette problématique de l’ef-fet de micro-fissures multiples sur le comportement des matériaux est de nouveau au coeur des travaux que je mène sur la prédiction de durée vie appliquée aux chambres de combustion multi-perforées (fig. 4).
Longueurs caractéristiques dans les méthodes d’homogénéisation
La troisième échelle considérée au cours de mes travaux a été l’échelle macroscopique qui peut être perçue comme la plus visible car abordant la question du comportement effectif, mais échelle pour laquelle les phénomènes observés découlent souvent des mécanismes identifiés
Activités de recherche 19 aux échelles inférieures. En outre, il n’est pas toujours simple de différencier les échelles évo-quées car il n’y a pas toujours une stricte séparation entre elles, c’est-à-dire que leurs longueurs caractéristiques (taille des grains dans le matériau constitutif, taille des cellules, taille de la structure dans le cas des architectures cellulaires par exemple) sont parfois du même ordre de grandeur. Au cours de mes travaux, j’ai été amené à considérer deux familles d’approches par homogénéisation multi-échelle. inclusion interphase matrix k2, μ2 k3, μ3 k1, μ1 Rinc tint (a) 0 2 4 6 8 10 12 Rinc(nm) 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 normalized moduli μeff /μ3, f1=4.5% μeff /μ3, f1=4.0% μDM /μ3 keff/k3, f1=4.5% keff/k3, f1=4.0% kDM/k3 (b)
FIGURE 5 – Mise en évidence d’un effet de taille d’inclusion spécifique aux nanocomposites pouvant se traduire par un adoucissement du comportement effectif du nanocomposite par comparaison à celui de la matrice pure, en raison de la présence d’une interphase de matrice perturbée présente en très grande quantité et entourant les inclusions. Résultats publiés dans [Marcadon et al., 2013].
La première famille à laquelle je me suis intéressé a été celle dite des approches à champs moyens. Dans sa version la plus simple, cette méthode d’homogénéisation considère des in-formations ponctuelles permettant d’aboutir à une représentation statistique de l’architecture du matériau (concentrations et propriétés mécaniques des différentes phases rencontrées). En revanche, elle ne peut rendre compte d’une morphologie complexe de cette architecture (dif-férentes géométries et tailles des inclusions par exemple) à cause de la définition d’un unique motif représentatif. Afin d’enrichir cette approche par la prise en compte de différents motifs, l’approche dite par motifs morphologiques représentatifs a été développée par la suite. Il n’en demeure pas moins que, quelle que soit l’approche considérée, les informations architecturales prises en compte par ces approches le sont uniquement au travers de fractions volumiques de matière et ne peuvent donc pas rendre compte, a priori, d’effets de longueur caractéristique intrinsèques. Dans ce contexte, l’apport de mes travaux de thèse a justement été de montrer que, grâce à l’identification de longueurs internes dans les matériaux reliées à des phénomènes phy-siques particuliers, il est possible de modéliser des effets de longueur caractéristique absolus à l’aide de telles approches (fig. 5). Dans le cas particulier des nanocomposites particulaires, j’ai ainsi pu expliquer le phénomène d’adoucissement qui peut être observé sur ces matériaux, à savoir une raideur du composite plus faible que celle de la matrice seule pour les très petites tailles de particules, malgré la présence des renforts rigides. Ce phénomène découle de l’exis-tence d’une interphase de matrice perturbée ayant des propriétés plus faibles que celles de la matrice pure, et une épaisseur donnée dépendant des interactions chimiques entre matrice et
renforts et non de la taille de ces derniers. A fraction volumique de particules fixée, la contri-bution sur le comportement effectif du nanocomposite augmente donc avec la diminution de la taille des particules et l’augmentation de leur nombre. Cet effet disparait dans le cas des com-posites classiques compte-tenu de l’épaisseur nanométrique de l’interphase qui devient alors négligeable. Une telle démarche est bien évidemment généralisable à nombre de matériaux hé-térogènes pour peu que l’on considère les bonnes échelles.
(a)
Σ
Σ
Σ
Σ
3 2 1 (b)FIGURE 6 – Utilisation de l’homogénéisation périodique pour l’identification de lois homo-gènes équivalentes du comportement effectif des empilements de tubes sous chargements multi-axiaux. Ces travaux ont été initiés dans le cadre de la thèse de A. Iltchev [Iltchev, 2014] et se poursuivent avec le post-doctorat de P. Gelineau. Le but est de rendre compte du comportement compressible et anisotrope de ces matériaux, ainsi que de l’évolution de la forme des surfaces de charge pouvant aller jusqu’à la refermeture aux forts taux de compaction à cause d’instabilités de flambement. Résultats publiés dans [Iltchev et al., 2015].
Je me suis aussi intéressé à l’homogénéisation périodique dans le contexte des matériaux cellulaires architecturés et plus particulièrement des empilements de tubes (fig. 6). L’objet de ces travaux était, grâce à la simulation éléments finis de chargements plus ou moins complexes sur des volumes élémentaires des empilements, d’identifier des lois homogènes équivalentes de leur comportement rendant compte de leur très forte anisotropie et de leur compressibilité en élasto-plasticité. Les résultats ainsi obtenus ont montré que ces phénomènes se traduisent par une évolution de la forme des surfaces de charge avec la déformation plastique. De premières comparaisons ont été entreprises entre des calculs de référence, sur structures complètement maillées, et des calculs où le cœur de la structure était remplacé par son milieu homogène équivalent. Ces comparaisons, réalisées uniquement en petites déformations pour l’instant, ont permis de valider les lois homogènes équivalentes identifiées et de mettre en exergue certains ef-fets de taille du cœur cellulaire dont les évolutions dépendent du type d’empilement considéré. L’extension de ces travaux aux grandes déformations est en cours. Les résultats des simulations
Activités de recherche 21 sur volumes élémentaires représentatifs ont mis en avant une influence des modes d’instabilité sur la taille du volume à considérer, ainsi qu’une forte dissymétrie traction-compression et un mécanisme de refermeture des surfaces de charge en compression. L’homogénéisation pério-dique est aussi au centre des travaux que je mène sur les propergols solides, avec pour objectif d’étudier la question de leur volume élémentaire représentatif, ainsi que de ceux dédiés à la prédiction de la durée de vie des chambres de combustion multi-perforées.
Activités d’encadrement
Post-doctorats
2018 - 2019 P. Gelineau. Détermination de lois homogènes équivalentes en grandes défor-mations - Application aux architectures cellulaires, financement ONERA. Co-encadrement ONERA : S. Kruch. Co-Co-encadrement Mines ParisTech : S. Forest et M. Mazière.
Thèses
2016 - 2019 E. Fernandes Pereira. Développement et validation de méthodologies de calcul de durée de vie de structures multi-perforées : prise en compte des effets de gradient en interaction fatigue / fluage, financement Cifre Safran Tech. Co-encadrement ONERA : D. Lévêque et P. Kanouté. Co-Co-encadrement Safran Tech : F. Coudon. Directeur de thèse : S. Forest, Mines ParisTech.
2011 - 2014 A. Iltchev. Homogénéisation périodique d’un matériau cellulaire en élasto-plasticité et application au calcul de structures : des petites aux grandes déformations, financement ONERA, soutenue le 16 décembre 2014. Co-encadrement : S. Kruch et B. Langrand. Directeur de thèse : S. Forest, Mines ParisTech.
Stages
2017 A. Bouvard, projet de fin d’études (co-encadrement : P. Kanouté). Etude de la sensibilité de la micro-indentation instrumentée pour la caractérisation des contraintes résiduelles.
2015 T. Journot, projet de fin d’études (co-encadrement : D. Lévêque). Prise en compte des effets de gradient dans le calcul de durée de vie d’un super-alliage pour application chambre de combustion.
2013 T. A. Temfack, stage de Master 1. Modélisation d’essais d’indentation répétée à l’aide d’un indenteur sphérique pour l’identification de lois de comporte-ment en élasto-viscoplasticité.
2012 M. D. Fall, stage de Master 1 (co-encadrement : C. Davoine). Assemblage de matériaux cellulaires : Modélisation du brasage de tubes en superalliage à base de nickel sur une peau en céramique.
2011 A. Iltchev, projet de fin d’études (co-encadrement : S. Kruch). Modélisation de structures sandwichs à cœurs cellulaires et séparation des échelles.
2010 W. Saber-Chérif, stage de Master 2 (co-encadrement : S. Kruch). Utilisation des EF2pour la modélisation de structures sandwichs à cœurs cellulaires.
2008 Y. Tybenszky, stage de Master 2 (co-encadrement : A. Roos). Développement d’un modèle de joint de grains pour la modélisation des polycristaux.
2007 - 2008 H. Montfort, stage ingénieur. Etude de l’influence de l’architecture sur le com-portement en compression quasi-statique d’empilements réguliers de sphères creuses.
Activités d’encadrement 23 2007 E. Roques, stage de Master 2 / projet de fin d’études. Mise en œuvre d’un
modèle élasto-viscoplastique pour l’étude du comportement en compression d’empilements de sphères creuses.
Apprentissages
2014 - 2017 S. Alauddin, apprentissage ingénieur (co-encadrement : B. Passilly et M. Pou-lain). Développement et fiabilisation d’une machine d’essais de micro-indentation instrumentée à température ambiante.
Publications et communications
Publications dans des revues à comité de lecture
2017 B. Langrand, F. Casadei, V. Marcadon, G. Portemont et S. Kruch. Experimen-tal and finite element analysis of cellular materials under large compaction levels. International Journal of Solids and Structures, 128, pp. 99-116.
2017 B. Langrand, F. Casadei, V. Marcadon, G. Portemont et S. Kruch. FE model-ling of cellular materials under compressive load. Procedia Engineering, 173, pp. 1951-1958.
2016 V. Marcadon, D. Lévêque, A. Rafray, F. Popoff, D. Mézières et C. Davoine. High temperature mechanical behavior of tube stackings - Part II : Compari-son between experiment and modeling. Materials Science and Engineering A, 677, pp. 549-561.
2016 V. Marcadon, C. Davoine, D. Lévêque, A. Rafray, F. Popoff, N. Horezan et D. Boivin. High temperature mechanical behavior of tube stackings - Part I : Microstructural and mechanical characterization of Inconel 600 constitutive material. Materials Science and Engineering A, 677, pp. 540-548.
2015 A. Iltchev, V. Marcadon, S. Kruch et S. Forest. Computational homogenisation of periodic cellular materials : application to structural modelling. Internatio-nal JourInternatio-nal of Mechanical Sciences, 93, pp. 240-255.
2013 V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé, P. Mélé, N. D. Albérola et A. Zaoui. Confrontation between Molecular Dynamics and micromechanical ap-proaches to investigate particle size effects on the mechanical behaviour of polymer nanocomposites. Computational Materials Science, 79, pp. 495-505. 2013 V. Marcadon et S. Kruch. Influence of geometrical defects on the
mechani-cal behaviour of hollow-sphere structures. International Journal of Solids and Structures, 50, pp. 498-510.
2012 V. Marcadon, C. Davoine, B. Passilly, D. Boivin, F. Popoff, A. Rafray et S. Kruch. Mechanical behaviour of hollow-tube stackings : Experimental cha-racterization and modelling of the role of their constitutive material behaviour. Acta Materialia, 60, pp. 5626-5644.
2011 V. Marcadon. Mechanical modelling of the creep behaviour of Hollow-Sphere Structures. Computational Materials Science, 50, pp. 3005-3015.
2011 V. Marcadon et S. Kruch. Roles of mechanical heterogeneities and damage on the overall mechanical behaviour of hollow-tube stackings. Procedia Enginee-ring, 10, pp. 2815-2820.
2009 V. Marcadon et F. Feyel. Modelling of the compression behaviour of metallic hollow-sphere structures : about the influence of their architecture and their constitutive material’s equations. Computational Materials Science, 47, pp. 599-610.
2009 V. Marcadon, E. Roques et F. Feyel. Modelling of mechanical behaviour of metal hollow sphere regular packings under compression loadings. Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics, 46, pp. 91-99.
Publications et communications 25 2008 D. Brown, V. Marcadon, P. Mélé et N. D. Albérola. Effect of filler particle size
on the properties of model nanocomposites. Macromolecules, 41, pp. 1499-1511.
2007 V. Marcadon, E. Hervé et A . Zaoui. Micromechanical modeling of packing and size effects in particulate composites. International Journal of Solids and Structures, 44, pp. 8213-8228.
2006 V. Marcadon, Y. Nadot, A. Roy et J. L. Gacougnolle. Fatigue behaviour of T-joints for marine applications. International Journal of Adhesion and Adhe-sives, 26, pp. 481-489.
2004 V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé et A. Zaoui. Modelling particle size effects on the behaviour of nanocomposites - Comparison between molecular dyna-mics and micromechanical approaches. Advances in Science and Technology, 44, pp. 143-150.
Publications dans des actes de congrès
2017 C. Davoine, V. Marcadon, D. Lévêque, F. Popoff, N. Horezan, D. Boivin et G. Portemont. Microstructural characterization of Inconel 600 tubes after ten-sile tests at various temperatures and strain rates. TMS 2017 146th Annual
Meeting and Exhibition, 26 février-2 mars 2017, San Diego, USA.
2016 D. Lévêque, V. Marcadon, E. Fernandes Pereira, T. Journot, P. Kanouté et A. Gaubert. Fatigue crack onset detection and observation at high temperature on notched cobalt-base superalloy specimens and fatigue lifetime prediction. 5thInternational Conference on Fracture Fatigue and Wear, 24-26 août 2016,
Kitakyushu, Japon.
2014 G. Portemont, C. Davoine, B. Langrand, V. Marcadon et E. Deletombe. Etude du comportement dynamique de matériaux métalliques architecturés à base d’empilements de tubes. Matériaux 2014, 24-28 novembre 2014, Montpellier, France.
2014 G. Portement, C. Davoine, B. Langrand et V. Marcadon. Cellular materials made of stacked tubes : influence of the manufacturing process on the dyna-mic behaviour of the constitutive material. Part II : mechanical behaviour. 14thONERA - DLR Aerospace Symposium, 11-13 juin 2014, Cologne,
Alle-magne.
2014 C. Davoine, G. Portemont, N. Horezan, B. Langrand, V. Marcadon et F. Po-poff. Cellular materials made of stacked tubes : influence of the manufactu-ring process on the dynamic behaviour of the constitutive material. Part I : microstructure. 14thONERA - DLR Aerospace Symposium, 11-13 juin 2014,
Cologne, Allemagne.
2013 A. Iltchev, V. Marcadon, S. Kruch, B. Langrand et S. Forest. Homogénéisation périodique d’un matériau élasto-plastique compressible anisotrope : appli-cation aux structures sandwichs à cœur cellulaire. 21e Congrès Français de
Mécanique. 26-30 août 2013, Bordeaux, France.
2012 M. Thomas, C. Davoine, V. Marcadon, F. Popoff, A. Rafray, M. Bodson, D. Lévêque et D. Boivin. Structure-property relationships of hollow tubes sta-ckings for aero engine applications. CellMat. 7-9 novembre 2012, Dresde, Allemagne.
2012 C. Davoine, F. Popoff, A. Rafray, B. Passilly et V. Marcadon. Effect of brazing on mechanical properties of hollow tube stackings. CellMat. 7-9 novembre 2012, Dresde, Allemagne.
2010 M. Thomas, C. Davoine, A. Götzfried, F. Popoff, V. Marcadon et S. Mercier. Comparing structure and properties in cellular materials. CellMat, 27-29 oc-tobre 2010, Dresde, Allemagne.
2010 A. Götzfried, C. Davoine, V. Marcadon, S. Mercier, A. Rafray et F. Popoff. Op-timisation du brasage pour l’élaboration de matériaux cellulaires. Materiaux 2010, 18-22 octobre 2010, Nantes, France.
2010 V. Marcadon, B. Passilly, C. Davoine, A. Götzfried et F.-H. Leroy. About the use of micro-indentation to determine constitutive material’s mechanical be-haviour of cellular structures. 14th International Congress on Experimental
Mechanics, 5-9 juillet 2010, Poitiers, France.
2009 C. Davoine, A. Götzfried, S. Mercier, F. Popoff, A. Rafray, M. Thomas et V. Marcadon. Metallic hollow sphere structures manufacturing process. Ma-terial Research Society (MRS) Spring meeting 2009, 13-17 avril 2009, San Fransisco, USA.
2008 V. Marcadon. Mechanical modelling of the compressive behaviour of metallic hollow-sphere packings. 9thONERA - DLR Aerospace Symposium, 22-24
oc-tobre 2008, Châtillon, France.
2004 A. Zaoui, V. Marcadon et E. Hervé. Particle size effects in nanocomposites. IU-TAM Symposium, Size effects on material and structural behavior at micron-and nano-scales. 31 mai-4 juin 2004, Hong Kong.
Conférences invitées et séminaires
2016 V. Marcadon, E. Hervé-Luanco, D. Brown, P. Mélé, N. D. Albérola et A. Zaoui. Dialogue entre dynamique moléculaire et approches microméca-niques pour l’étude des effets de taille dans les nanocomposites. Réunion du groupe de travail Mécamat« Mécanique des polymères », 10 mars 2016, Pa-ris, France.
2013 V. Marcadon, C. Davoine, A. Iltchev, D. Boivin, D. Lévêque et S. Kruch. Com-portement mécanique des matériaux cellulaires architecturés : de la micro-structure à la micro-structure. Journées Annuelles de la Fédération Francilienne de Mécanique 2013. 11-12 juin 2013, sur la Seine, France.
2012 V. Marcadon, B. Passilly, C. Davoine, D. Boivin, F. Popoff, A. Rafray et S. Kruch. Effective mechanical behaviour of cellular structures and the in-fluence of their constitutive behaviour. Workshop sur les matériaux cellulaires aux Mines ParisTech. 31 mai 2012, Paris, France.
2006 V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé et A. Zaoui. Effets de taille et d’interphase sur le comportement mécanique de nanocomposites particulaires, séminaire au Laboratoire de Mécanique de Lille (LML). 2 mars 2006, Villeneuve D’ascq, France.
2005 V. Marcadon et D. Brown. Interphase and particle size effect on the mecha-nical behavior of filled polymer. Workshop du CECAM à l’ENS Lyon (12-14 sept. 2005),« Simulating deformed glasses and melts : from simple liquids to polymers».
Publications et communications 27 2005 V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé et A. Zaoui. Confrontation entre
simula-tions de Dynamique Moléculaire et approche micromécanique pour la prise en compte d’effets de taille dans les nanocomposites. Journée Nanomatériaux de la Fédération Ile-de-France de Mécanique des Matériaux. 8 février 2005, Palaiseau, France.
Communications à des congrès internationaux
2018 E. Fernandes Pereira, V. Marcadon, D. Lévêque, P. Kanouté, L. Marcin, F. Coudon et S. Forest. Observation and modeling of PortevLe Chatelier in-stabilities in a cobalt-based superalloy. 10thEuropean Solid Mechanics
Confe-rence (ESMC), 2-6 juille 2018, Bologne, Italie.
2017 E. Fernandes Pereira, V. Marcadon, D. Lévêque, P. Kanouté, L. Marcin, F. Coudon et S. Forest. Fatigue lifetime prediction on single hole plates made of a cobalt-base superalloy. 5thInternational Conference on Material
Mode-ling (ICMM5), 14-16 juin 2017, Rome, Italie.
2016 B. Langrand, F. Casadei, V. Marcadon, G. Portemont et S. Kruch. FE model-ling of cellular materials under compressive load. 11thInternational
Sympo-sium on Plasticity and Impact Mechanics, 12-14 décembre 2016, New Dehli, Inde.
2016 V. Marcadon, D. Lévêque, A. Rafray, F. Popoff, D. Mézières et C. Davoine. High temperature mechanical behaviour of tube stackings. 15thEuropean
Me-chanics of Materials Conference (EMMC15), 7-9 septembre 2016, Bruxelles, Belgique.
2016 E. Fernandes Pereira, V. Marcadon, D. Lévêque, P. Kanouté, A. Gaubert, L. Marcin, S. Quilici et S. Forest. Fatigue lifetime prediction at high tem-perature on notched cobalt-base superalloy specimens. 15thEuropean
Mecha-nics of Materials Conference (EMMC15), 7-9 septembre 2016, Bruxelles, Bel-gique.
2015 V. Marcadon, A. Iltchev, S. Kruch, B. Langrand, G. Portemont et S. Forest. About the use of periodic homogenisation in structural modelling of cellu-lar materials. 9thEuropean Solid Mechanics Conference (ESMC), 6-10 juillet
2015, Madrid, Espagne.
2015 C. Davoine, V. Marcadon, M. Bouchez, F. Crampon et B. Le Naour. Design and characterization of multifunctional hollow-sphere core cooled sandwich for future hypersonic airliner. 6th European Conference for Aeronautics and
Space Sciences, 29 juin-3 juillet 2015, Cracovie, Pologne.
2013 A. Ilchev, V. Marcadon, S. Kruch, B. Langrand et S. Forest. Periodic homo-genization of an isotropic elastic-plastic compressible material : application to cellular core sandwich structures. 3rdInternational Conference on Material
Modelling (ICMM3). 8-11 sept. 2013, Varsovie, Pologne.
2012 C. Davoine, V. Marcadon, F. Popoff, A. Rafray, B. Passilly, E. Pons et D. Boi-vin. Architectured Materials for High Temperature Applications. ARCHIMAT Architectured Materials, 10-11 octobre 2012, Prague, République Tchèque. 2012 S. Kruch, A. Iltchev et V. Marcadon. Non-linear modeling of metallic
archi-tectured materials. 22thInternational Workshop on Computational Mechanics
2012 V. Marcadon, A. Iltchev, A. Rafray et S. Kruch. Mechanical modelling of hollow-tube stackings : from the microscopic scale to the macroscopic one. 8th European Solid Mechanics Conference (ESMC). 9-13 juillet 2012, Graz,
Autriche.
2012 S. Kruch, A. Iltchev et V. Marcadon. Edge effects in coarse grain micro-structures. Colloque Euromech 537,« Computational Homogenization of He-terogeneous Materials and Structures». 26-28 mars 2012, Champs-sur-Marne, France.
2011 V. Marcadon, A. Iltchev, W. Saber-Cherif et S. Kruch. Mechanical modelling of the effective behaviour of hollow-tube stackings. 2nd International
Confe-rence on Material Modelling (ICMM2). 31 août-2 sept. 2011, Paris, France. 2011 V. Marcadon, B. Passilly, C. Davoine, D. Boivin, A. Götzfried, F. Popoff,
A. Rafray et S. Kruch. Effective mechanical behaviour of cellular struc-tures : about the role of their constitutive material behaviour. 11thInternational
Conference on the mechanical behaviour of Materials. 5-9 juin 2011, Lac de Come, Italie.
2010 A. Götzfried, C. Davoine, S. Mercier, V. Marcadon et A. Rafray. Optimization of the architecture of a cellular material. Junior Euromat, 26-30 juillet 2010, Lausanne, Suisse.
2010 V. Marcadon et S. Kruch. About the role of defects on the effective mechanical behaviour of Hollow-Sphere structures. IV European Conference on Compu-tational Mechanics, 17-21 mai 2010, Paris, France.
2008 V. Marcadon, E. Roques et F. Feyel. Modelling of mechanical behaviour of metal hollow sphere regular packings under compression loadings. 11th
Euro-mech - Mecamat Conference,« Mechanics of microstructured solids : cellular materials, fibre reinforced solids and soft tissues », 10-14 mars 2008, Turin, Italie.
2006 D. Brown, V. Marcadon, P. Mélé, E. Hervé, A. Zaoui et N. D. Albérola. Effect of filler particle size on the properties of model nanocomposites. Workshop du CECAM à l’ENS Lyon (4-6 oct. 2006),« Polymer surfaces and interfaces ». 2005 D. Brown et V. Marcadon. Filled polymers and particle size effects at the
na-noscale - A Molecular Dynamics analysis. 8thEuropean Symposium on
Poly-mer Blends, Eurofillers 2005. 9-12 mai 2005, Bruges, Belgique.
2005 Y. Nadot, V. Marcadon, A. Roy et P. Casari. Fatigue behaviour of adhesive bonded tee joints - from specimen to structure. 4thInternational Conference on
Fracture of Polymers, Composites and Adhesives. 4thESIS TC4 Conference.
11-14 septembre 2005, Les Diablerets, Suisse.
2004 E. Hervé, V. Marcadon et A. Zaoui. Interphase and size effect in nanocompo-sites. Elastic behavior. 2ndInternational Conference on Multiscale Materials
Modeling. 11-15 octobre 2004, Los Angeles, USA.
Communications à des congrès nationaux
2014 A. Iltchev, V. Marcadon, S. Kruch, B. Langrand et S. Forest. Homogénéisation en grandes déformations : application aux matériaux cellulaires. Club des utilisateurs de Z-set, 4 février 2014, Evry, France.
Publications et communications 29 2012 M. Poulain, P. Kanoute, J.-L . Chaboche et V. Marcadon. Détermination de
lois de comportement viscoplastique par exploitation d’essais de nanoinden-tation à haute température. Indennanoinden-tation 2012. 29-31 octobre 2012, ECL, Lyon, France.
2012 B. Passilly, C. Davoine, V. Marcadon, J.-F. Caudrelier et M. Poulain. Avan-cées sur la nanoindentation instrumentée jusqu’à 900◦C. Indentation 2012. 29-31 octobre 2012, ECL, Lyon, France.
2012 A. Iltchev, V. Marcadon, S. Kruch, B. Langrand et S. Forest. Homogénéisa-tion périodique d’un matériau élastoplastique compressible anisotrope : ap-plication aux structures sandwiches à cœur cellulaire. Séminaire au Centre des Matériaux des Mines ParisTech. 1erjuin 2012, Evry, France.
2010 V. Marcadon. Archietcture, behaviour of the constitutive material, geometrical defects : about their influence on the overall mechanical behaviour of hollow-sphere stackings. Journées Annuelles de la Société Française de Mécanique et des Matériaux. 22-24 juin 2010, Chimie ParisTech, Paris, France.
2006 P. Mélé, V. Marcadon, D. Brown et N. D. Albérola. Influence of the specific surface of nanoparticles on the mechanical behaviour of composites. Journée « Modélisation multi-échelles des systèmes à base polymères » du MACO-DEV. 3 octobre, ENS, Lyon, France.
2005 V. Marcadon et D. Brown. Comportement mécanique et effet de taille dans les nanocomposites particulaires. 4e Journées de Modélisation Moléculaire
des Polymères et Matériaux Amorphes. 16-17 juin 2005, Clermont-Ferrand, France.
2005 V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé et A. Zaoui. Confrontation dynamique mo-léculaire / approche micromécanique dans les polymères chargés. Réunion du CPR« Durée de vie des polymères industriels ». 26 mai 2005, Arts et Métiers ParisTech, Paris, France.
2004 V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé et A. Zaoui. Interphase et effets de taille dans les nanocomposites particulaires - Confrontation entre dynamique molé-culaire et approche micromécanique. séminaire au Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS). 16 décembre 2004, Palaiseau, France.
2004 V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé et A. Zaoui. Effets de taille et d’interphase sur le comportement mécanique des nanocomposites particulaires - Couplage entre dynamique moléculaire et approche micromécanique. 19ecolloque sur la
déformation des polymères solides (DEPOS19). 12-15 octobre 2004, Futuro-scope, France.
2004 V. Marcadon, E. Hervé et A. Zaoui. Prise en compte d’un effet de taille dans le comportement élastique et viscoélastique de nanocomposites. Journée Jeunes Chercheurs du LEMA (Laboratoire d’Etude Mécanique des Assemblages). 16 juin 2004, Université de Versailles / Saint-Quentin-en-Yvelines, France. 2004 V. Marcadon, E. Hervé et A. Zaoui. Interphase et effet de taille dans les
nano-composites particulaires. Colloque National Mécamat,« Mécanismes et mé-canique des matériaux et structures à longueur interne : comportement et effets d’échelle». 25-30 janvier 2004, Aussois, France.
2003 V. Marcadon, E. Hervé et A. Zaoui. Effect of particle size on the behaviour of nanocomposites. Journées Transalpines des Polymères. 23-24 octobre 2003, INSA, Lyon, France.
2003 V. Marcadon, Y. Nadot, A. Roy et J.L. Gacougnolle. Etude du comportement en fatigue de joints collés - Application aux liaisons cloison / coque dans la construction nautique de plaisance. Colloque National Mécamat, « Assem-blages : des matériaux à la structure». 20-24 janvier 2003, Aussois, France.
Brevets
2011 N. Auffray, M.-P. Bacos, R. Bouchet, V. Marcadon, S. Mercier et P. Josso. WO 2011/048323. Délivré en France en 2014 : Dispositif d’absorption acous-tique, FR 2 951 854 B1.
2009 A. Rafray, N. Auffray, R. Bouchet, P. Josso, J. Lozat et V. Marcadon. WO 2009/150314. Délivré en Europe en 2011 : Procédé pour la réalisation d’un matériau cellulaire à base de billes métalliques creuses et matériau cel-lulaire, EP 2 285 561 B1. Délivré aux USA en 2014 : Method for preparing a cellular material based on hollow metal beads, US 8,663,812 B2.
Projets et rapports techniques 31
Projets et rapports techniques
Projets collaboratifs externes
2016 - 2019 Partenariat Recherche Industrie M3 (Métallurgie et Mécanique des Maté-riaux).
2016 - 2017 Innovation and Technology Partnership CEMENT (Ceramic to METal joi-ning).
2011 - 2015 Projet Européen ATLLAS II (Aerodynamic and Thermal Load Interactions with Lightweight Advanced Materials for High Speed Flight).
2011 - 2014 Projet Carnot DynaCell (Modélisation du comportement sous chargements complexes des structures sandwichs à coeurs cellulaires : du quasi-statique à la dynamique rapide), Responsable du projet.
2007 - 2010 Projet du Fonds Unique Interministériel MACAO (Modélisation Avancée des Composants Aéronautiques et développement des Outils associés).
2007 - 2009 Projet Européen ATLLAS (Aerodynamic and Thermal Load Interactions with Lightweight Advanced Materials for High Speed Flight), Responsable Tech-nique pour le Département.
2005 - 2008 Projet Fédérateur Aérospatial MAPO (Matériaux de structure poreux et mi-croporeux pour applications multifonctionnelles : une approche « Materials by Design»).
Projets collaboratifs internes
2015 - 2018 Projet de Recherche Fédérateur MOVIE (MOdélisation et simulation du VIeillissement des propErgols).
2014 - 2017 Projet de Recherche Fédérateur MECHANICS (MEsure de CHamps par ANa-lyse d’Images vers le dialogue Calculs-essaiS).
2014 - 2017 Projet de Recherche LOCOMOTION (Identification de LOis de COmporte-ment par exploitation d’essais de MicrOindentaTION).
2013 - 2017 Projet de Recherche Structures Hybrides.
Rapports techniques internes
2018 P. Kanouté, F. Fournier dit Chabert, S. Kruch et V. Marcadon. PRI ONERA-Safran Tech. Rapport du PRI M3 relatif à la fiche FET1.1. RT 2/28030 DMAS. 2018 E. Fernandes Pereira, V. Marcadon, D. Lévêque, P. Kanouté, F. Coudon et S. Forest. Application de la chaîne de calcul de durée de vie au matériau pour chambres de combustion Haynes 188 - Année 2018. RT 2/26657 DMAS. 2018 F. Ser, D. Blondé, V. Marcadon, C. Sonnenfeld, J. Ancelle, D. Boivin et Y.
Mel-liti. PRF MOVIE : Tâche 1.3 - Vieillissement du liant PBHT et mesure de ses propriétés. RT 8/24108 DMPE.
2018 F. Ser, D. Blondé, V. Marcadon, D. Davidenko, C. Bovet, D. Boivin, V. Chia-ruttini, C. Sonnenfeld et F.-X. Roux. PRF MOVIE : Rapport de synthèse de l’année 3. RT 7/24108 DMPE.
2018 E. Fernandes Pereira, V. Marcadon, D. Lévêque, P. Kanouté, F. Coudon et S. Forest. Application de la chaîne de calcul de durée de vie au matériau pour chambres de combustion Haynes 188 - Année 2017. RT 1/26657 DMAS. 2018 V. Bonnand, F. Fournier dit Chabert, P. Kanouté, S. Kruch, V. Marcadon et
D. Pacou. Rapport de synthèse des travaux menés en 2017 dans le cadre du PRI ONERA-SAFRAN. RT 6/24771 DMAS.
2017 M. Poulain, V. Marcadon, B. Passilly, S. Alauddin et M.-P. Bacos. Rapport de synthèse du PR LOCOMOTION (2017). RT 7/22756 DMAS.
2017 V. Bonnand, F. Fournier dit Chabert, P. Kanoute, S. Kruch, V. Marcadon et D. Pacou. Etat d’avancement Onera des travaux relatifs à la FET 1.1 - Trans-fert des modélisations et FET1.2 - Essais technologiques. RT 4/24771 DMAS. 2017 M. Poulain, V. Marcadon, B. Passilly et S. Alauddin. Rapport de synthèse de
la PID PR Locomotion 2016. RT 6/22756 DMAS.
2017 D. Blonde, D. Davidenko, F. Ser, J. Ancelle, R. Devillers, M. Hirsekorn, V. Marcadon, V. Chiaruttini, C. Bovet, J.-D. Garaud, F.-X. Roux, Y. Renol-let et D. Boivin. PRF MOVIE : Rapport de synthèse de l’année 2. RT 3/24108 DMPE.
2017 M. Hirsekorn, V. Marcadon, D. Blondé et D. Davidenko. PRF MOVIE : Pre-mières lois de comportement des matériaux et premier modèle macroscopique d’un chargement sous contraintes d’allumage (synthèse de la tâche T1.2). RT 4/24108 DEFA.
2017 D. Lévêque et V. Marcadon. ITP2/Task 10 - Study of Ceramic to Metal Joining Techniques : ONERA Contribution - Literature review. RT 1/26153 DMSM. 2016 V. Marcadon et E. Fernandes Pereira. Analyse de durée de vie - Cas du
maté-riau pour chambre HA188. RT 1/24771 DMSM.
2016 D. Blonde, F. Ser, M. Hirsekorn, G. Roger, V. Marcadon, V. Chiaruttini, J.-D. Garaud, F.-X. Roux, Y. Renollet et J.-D. Boivin. PRF MOVIE : Rapport de synthèse de l’année 1. RT 2/24108 DEFA.
2015 M. Poulain, V. Marcadon, B. Passilly et S. Alauddin. Rapport de synthèse sur la deuxième année du PR LOCOMOTION (2015). RT 3/22756 DMSM. 2015 V. Marcadon, G. Portemont, B. Langrand, A. Iltchev, S. Kruch, S. Forest
et F. Casadei. DynaCell : Mechanical characterisation of cellular structures made of tube stackings (Final report). RT 6/18367 DMSM.
2015 B. Langrand, F. Casadei, G. Portemont, V. Marcadon et M. Larcher. Com-portement mécanique de matériaux architecturés par empilement de tubes. RT 5/23762 DADS.
2015 M. Thomas, I. Salah El din, C. Davoine, V. Marcadon et J.-F. Justin. ATLLAS 2 : ONERA Final Report. RT 8/18356 DMSM.
2015 V. Marcadon et D. Lévêque. Projet ATLLAS 2 : High temperature mechanical behaviour of tube stackings : comparison between experiment and modelling. RT 7/18356 DMSM.
2015 J. Bellessa, F. Ser, G. Roger, V. Marcadon et D. Boivin. PRF MOVIE : Etat de l’art sur le vieillissement des propergols (synthèse de la tâche T1.1). RT 1/24108 DEFA.
2015 R. Agogue, S. Mercier, C. Sonnenfeld, V. Marcadon, G. Roger, M. Kaminski, A. Mavel, P. Nunez, B. Lamboul et J. M. Roche. PR Structures hybrides -Synthèse des travaux 2014. RT 3/21411 DMSC.
Projets et rapports techniques 33 2015 M. Poulain, V. Marcadon, B. Passilly et F.-H. Leroy. Rapport de synthèse sur
la première année du PR LOCOMOTION (2014). RT 2/22756 DMSM. 2014 V. Marcadon. Characterisation of the elasto-(visco)plastic behaviour of the
constitutive materials of tube stackings : from room to high temperatures. RT 2/18356 DMSM.
2014 D. Missoum-benziane, S. Quilici et V. Marcadon. Projet DynaCell : notice d’utilisation de l’interface Z-set / Europlexus. RT 5/18367 DMSM.
2013 C. Davoine, D. Boivin, N. Horezan et V. Marcadon. Projet DynaCell : Ca-ractérisation microstructurale des structures sandwichs à base de tubes. RT 3/18367 DMSM.
2012 V. Marcadon, A. Iltchev et S. Kruch. Projet DynaCell : développement des outils de modélisation des structures sandwichs à cœur cellulaire. RT 2/18367 DMSM.
2010 V. Marcadon. ATLLAS : Finite-Element modelling of the mechanical beha-viour of hollow-sphere stackings - Deliverable D318 :. RT 11/11708 DMSM. 2010 V. Marcadon et C. Davoine. ATLLAS : Final report on mechanical, acoustic
absorption and oxidation testing - Deliverable D316. RT 9/11708 DMSM. 2010 V. Marcadon et R. Bouchet. Experimental characterization of the acoustical
and the mechanical behaviours of hollow-sphere packings - Deliverable 314. RT 5/11708 DMSM.
2010 M. Thomas, C. Davoine, V. Marcadon, C. Chalons et E. Pons. Rapport Final Complémentaire du lot 400 - Edition complète avec la contribution TURBO-MECA & ONERA. RT 6/13247 DMSM.
2008 V. Marcadon. Mechanical modelling of the behaviour of hollow-sphere pa-ckings under compressive loads. RT 4/11708 DMSM.
2006 R. Bouchet, V. Marcadon et P. Josso. Etude de matériaux cellulaires appliqués au traitement acoustique des tuyères de moteur d’avion. RT 1/09545 DMMP.
Enseignement, expertise et animation
Enseignement
2013 Encadrement des modules expérimentaux de ruine des structures à l’Ecole Po-lytechnique. Parties« théorique » (rappels de cours sur la plasticité, la fatigue, la fissuration, le flambement et le choc thermique sous la forme de travaux pra-tiques encadrés) et« pratique » (projet libre), 54 h d’enseignement au total. 2011 Encadrement des modules expérimentaux de ruine des structures à l’Ecole
Po-lytechnique. Parties théorique et pratique, 54 h d’enseignement au total. 2010 Participation à l’encadrement des projets de modélisation mécanique à l’Ecole
Polytechnique. Partie pratique uniquement, 30 h d’enseignement au total. 2002 - 2005 Monitorat à l’Ecole Polytechnique pendant la thèse (encadrement des travaux
expérimentaux de ruine des structures, partie pratique uniquement sur plu-sieurs sessions), 270 h d’enseignement au total.
Les différents enseignements que j’ai dispensés n’ont donné lieu à la rédaction d’aucun support écrit. Il s’agissait en fait de sessions de projets sur neuf journées. Les quatre premières journées plus théoriques étaient dédiées à des travaux pratiques encadrés pour lesquels, lorsque j’en ai eu la charge, je faisais les rappels de cours nécessaires au tableau. Les cinq séances sui-vantes, beaucoup plus pratiques et que j’ai encadrées à chaque fois, concernaient un projet libre proposé par les élèves, ou à défaut par l’encadrant. Il s’agissait donc d’enseignements nécessi-tant beaucoup de flexibilité et de réactivité afin de pouvoir aider les élèves dans l’avancement de leurs projets (anticipation des approvisionnements en matière, réalisation de petits montages, d’échantillons ou d’essais, apprentissage des notions théoriques de base au cas par cas). Afin de pouvoir répondre à ces exigences, chaque encadrant avait en charge deux ou trois binômes au maximum.
Expertise
Activités d’expertise pour différentes revues à comité de lecture (International Journal of Mechanical Sciences, International Journal of Solids and Structures, Metals, Computational Materials Science, Composite Structures, International Journal of Plasticity, The Journal of Adhesion, Matériaux et Techniques, Acta Materialia, Materials and Design, Mechanics Re-search Communications, Materials, Advanced Materials Interfaces, Thin-Walled Structures et Materials Chemistry and Physics), ainsi que pour l’Agence Nationale de la Recherche.
Activité d’expertise dans le cadre de l’Alliance pour l’Industrie du Futur, concernant le comportement mécanique des architectures cellulaires pour la mise en place de feuilles de route autour des procédés de fabrication additive.
Activité d’expertise interne à l’ONERA pour les propositions de Projets de Recherche suite à ma nomination en tant que Maître de Recherche, ainsi que pour la préparation de feuilles de routes permettant de créer des synergies entre les départements pour les travaux de recherche futurs, cas des travaux sur les propergols solides en particulier.
Enseignement, expertise et animation 35
Animation scientifique
Organisation d’une journée scientifique à l’ONERA le 30 octobre 2006 sur le thème :« Me-chanical behaviour of structural materials under impact loadings». Les orateurs invités étaient M. Langseth du Département d’Ingénierie des Structures de l’Université des Sciences et de Technologie de Norvège (NTNU), G. Gary du Laboratoire de Mécanique des Solides de l’Ecole Polytechnique et E. Deletombe de l’ONERA.
Représentation du personnel
Elu au Comité d’Etablissement de l’ONERA Ile-de-France et au Comité Central d’Entre-prise de l’ONERA depuis janvier 2017 et février 2017, respectivement. Responsable des com-missions en charge d’évaluer les plans et bilans de la formation pour l’ONERA, au niveau de l’Ile-de-France et au niveau national.
