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Matériaux et structures

Le domaine scientifique MAS

Anne Tanguy
Anne Tanguy

directrice scientifique
du domaine Matériaux et structures

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Avancées récentes

Best Paper Award EREA 2021– Un article cosigné par l’ONERA sur la dynamique des structures

L’EREA, l’association des Établissements de recherche européens en aéronautique, réunit annuellement son jury pour élire le meilleur article scientifique de son périmètre. En 2021, Dimitri Goutaudier (ONERA/DMAS), Didier Gendre (Airbus), Véronique Kehr-Candillea (DMAS) et Roger Ohayon (CNAM) sont distingués parmi 22 nominés pour « Long-range impact localization with a frequency domain triangulation technique: Application to a large aircraft composite panel ».
Composite Structures Volume 238, 15 April 2020, 111973 https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.111973

ESCALE, la plateforme essai-modèle-calcul qui s'impose

La plateforme ESCALE initiée en 2014 met en œuvre la synergie essai-modèle-calcul pour faciliter la conception en matériaux et structures. Un accord de consortium pour son développement a été mis en place pour accompagner une large diffusion dans le monde académique. Les partenaires sont : GeM (Nantes), Institut Clément Ader (Toulouse),  LaMcube (Lille), CEA et Arts et Métiers d’Aix en Provence. Sylvia Feld-Payet @ onera.fr

OP2i MATRIX, frittage haute température au meilleur niveau mondial

L’opération d'investissement OP2i MATRIX a doté l’ONERA de deux installations de frittage haute température au meilleur niveau mondial : un DCS/SPS (Direct Current sintering/ Spark Plasma Sintering) de forte capacité (2500°C, 250 t, diam 300 mm), un HIP (Hot Isostatic Pressing) qui atteint 2000°C et 4000 bar (diam 150 mm x h 250 mm). Peu d'installations permettent de développer des matériaux ou des démonstrateurs céramiques ou métalliques réfractaires atteignant de si hautes températures sur des dimensions aussi grandes. Aurélie Jankowiak, Johan Petit @ onera.fr

Sur l'image : Plaques de diamètre 150 mm élaborées par DCS/SPS

MOSTRA, la microscopie TEM de dernière génération à l'ONERA

Le projet MOSTRA dotera prochainement l'ONERA d'un microscope électronique à transmission de dernière génération pour, entre autres innovations, relier l’imagerie HR à la cartographie des propriétés physiques locales d’une large gamme de matériaux d’intérêt ASD (des aubes de turbines aux nanoparticules). Partenaires : CNRS, GEMaC (Versailles) et UMPHY (Palaiseau). Cofinancement  SESAME (IdF). Frédéric Frossard, Annick Loiseau @ onera.fr

Sur l'image : Réponse diélectrique de la structure hexagonale du nitrure de bore

MAS en résumé

Le domaine Matériaux et Structures recouvre au sein de l’ONERA l’ensemble des recherches et développements ayant pour finalité l’utilisation des matériaux et des structures dans le domaine Aérospatial et Défense. Il regroupe ainsi les activités traditionnellement associées à la Science des Matériaux et à la Mécanique du Solide et des Structures, ainsi qu’à l’Aéroélasticité, dans une logique transdisciplinaire permettant de s’appuyer sur un couplage efficace entre les échelles (de l’échelle atomique à l’échelle de l’avion). Il est transverse à trois départements (DMAS - Matériaux et structures, DMPE - Multiphysique pour l'énergétique, DAAA - Aérodynamique, aéroélasticité, acoustique).

Un défi majeur est la maitrise de la tenue mécanique tout au long de la vie des matériaux, des composants et des structures dans leur environnement, compte tenu des charges de service complexes (mécaniques, thermiques, irradiations) qui leur sont imposées. Pour cela, l’étude des matériaux et de leur mise en œuvre à l’échelle de sous-structures aérospatiales voire de structures complètes (hélicoptères, avions, lanceurs…) est indissociable de la prise en compte réaliste des couplages thermo-mécaniques à différentes échelles, et des risques d’endommagement pouvant conduire à la ruine de la structure. A cette fin, l’environnement multiphysique doit être considéré avec précision, en se basant sur l’expérimentation et l’observation des phénomènes mis en jeu aux niveaux matériaux, comme aux niveaux structures. Cette approche est indispensable pour répondre au défi dorénavant incontournable de sobriété énergétique des structures aérospatiales. Les matériaux multifonctionnels entrent également dans le champ de recherche du domaine MAS.

La démarche scientifique développée au sein du domaine MAS s’appuie de façon cohérente sur le couplage entre les échelles : des échelles les plus fines afin de comprendre les mécanismes élémentaires en jeu et d’identifier les modèles et paramètres clés, voire d’orienter le choix des procédés de fabrication, jusqu’à l’échelle des structures articulées représentant les engins aérospatiaux. Les approches de changement d’échelles, l’observation et la caractérisation à chaque niveau y jouent un rôle essentiel.

Le développement de matériaux nouveaux, accéléré par des approches numériques conjointement aux élaborations expérimentales, la construction de lois de comportement en vue de leur utilisation industrielle, la modélisation des phénomènes de vieillissement, endommagement, fatigue et rupture font partie des axes de recherche qu’il faut associer au développement de méthodes d’observation à des échelles de plus en plus fines, et au développement de moyens de suivi en service (SHM) ou de contrôle des procédés de fabrication.

La mise en œuvre de ces matériaux par l’industrie au sein de structures complexes optimisées, soumises à des environnements d’utilisation parfois extrêmement sévères, assortis d’exigences de sûreté, de fiabilité ou de certification toujours plus fortes, ouvre un dernier champ de recherche concernant les structures elles-mêmes. Les couplages avec l’aérodynamique, la thermique ou l’électromagnétisme (impacts de foudre, furtivité) doivent être pris en compte : leur modélisation, leur simulation numérique exploitant le calcul haute performance et bien sûr l’expérimentation à échelle significative et le dialogue essais-calculs sont les points forts de cette approche.

 

Adjoints scientifiques des départements

Thématiques MAS

Les thématiques du domaine scientifique MAS concernent principalement le département Matériaux et structures (DMAS). Deux thématiques des départements Multiphysique pour l'énergétique (DMPE) et Aérodynamique, aéroélasticité, acoustique (DAAA) sont également rattachées au domaine.

 

Structures de basse dimension

[CNU* 28, 33] [CoCNRS* 5]

DMAS Hakim Amara, Annick Loiseau (@ onera.fr)

Cette thématique scientifique concerne la synthèse et la croissance des nanomatériaux (0D, 1D, 2D), les propriétés structurales et spectroscopiques associées (diélectriques, excitoniques, plasmoniques), les développements expérimentaux aux toutes petites échelles tels que la TEM/EELS, la photoluminescence, la CVD, et enfin les modélisations aux échelles atomiques et subatomiques, telles que la DFT, les modèles de liaisons fortes, la dynamique moléculaire et les simulations Monte Carlo.

L’activité scientifique est articulée autour de deux axes de recherche principaux :

  • Synthèse et croissance des nanomatériaux
  • Propriétés structurales et spectroscopiques

Exemples

[Synthèse et croissance des nanomatériaux]
Caractérisation par microscopie électronique en transmission de nano-objets

[Synthèse et croissance des nanomatériaux]
Mécanisme de croissance des nanotubes de carbone : observation en microscopie électronique et calculs Monte Carlo

[Propriétés structurales et spectroscopiques]
Cartographies des pertes d’énergie à 8 et 12 eV d’un cristal de nitrure de bore hexagonal  dans le plan réciproque normal à l’axe d’empilement  et simulations numériques ab initio correspondantes

En voir plus sur cette thématique

Physique et comportement des matériaux : de l’atome à la microstructure

[CNU 28, 60] [CoCNRS 5, 9]

DMAS Alphonse Finel, Mickael Perrut (@ onera.fr)

Cette thématique a pour objectif de modéliser le comportement des matériaux en développant des modèles formulés aux échelles de temps et d’espace adaptées à chacun des processus sous-jacents. La démarche est donc nécessairement multi-échelle et, à l’échelle finale de la microstructure, multi-physique.

La thématique est structurée en quatre axes de recherche :

  • Physique des microstructures : échelles atomique et continue
  • Physique de la plasticité : dislocations discrètes et modèles en densité
  • Mécanismes de transport dans les matériaux (électrons, phonons)
  • Thermodynamique et cinétique d’alliages multi-constitués

Exemples

Méthode des champs de phase La méthode des champs de phase est une théorie continue : son implémentation numérique nécessite une discrétisation suffisamment fine pour que les interfaces, représentées par les variations spatiales des champs, ne frottent pas sur la grille. En 2018, nous avons développé une nouvelle formulation, la SPFM - Sharp Phase Field Method -, dans laquelle les interfaces sont résolues avec essentiellement un seul point sans générer de frottement sur la grille, ce qui augmente considérablement les capacités numériques de la méthode (Fig. 1 b).

Solveurs mécaniques FFT La SPFM est basée sur une description abrupte des interfaces : celles-ci ne sont résolues que par un seul point de grille. Le couplage de la méthode avec des champs mécaniques (élastiques et plastiques) nécessite donc la mise au point d’un solveur mécanique capable de gérer de fortes hétérogénéités (constantes élastiques, tenseurs de déformation propres).  Nous avons développé un tel solveur, intrinsèquement discret, en utilisant une approche FFT. Ce solveur est stable pour n’importe quel contraste, contrairement aux solveurs classiques continus. Il est très efficace d’un point de vue numérique : l’équilibre mécanique d’un composite décrit par environ 50 millions de degrés de liberté nécessite environ 2000 s monoprocesseur (voir figure).

Matériaux structuraux innovants

[CNU 60] [CoCNRS 9]

DMAS Aurélie Jankowiak, Cécile Davoine (@ onera.fr)

Cette thématique rassemble les activités de recherche concernant le développement de matériaux métalliques, céramiques et composites apportant un gain en termes de durabilité et/ou d’allègement des structures, en visant des températures de fonctionnement plus élevées tout en privilégiant un faible impact environnemental. Elles mettent l’accent sur l’analyse des liens entre le procédé d’élaboration, les microstructures et les propriétés associées. Ces travaux s’appuient sur l’expertise du département dans les techniques de transformations, de caractérisations mécanique et microstructurale.

L’activité scientifique est articulée autour des axes de recherche principaux :

  • Développement d’alliages métalliques
  • Développement de nouveaux matériaux céramiques et composites
  • Développement de revêtements protecteurs et de réparation
  • Développement de méthodes de suivi et de contrôle santé matière

 

 

Matériaux architecturés et multifonctionnels

[CNU 60] [CoCNRS 9]

DMAS Florence Saffar, Marc Thomas (@ onera.fr)

Cette thématique scientifique englobe l’ensemble des activités liées aux matériaux architecturés, fonctionnels et multifonctionnels. A ce titre, elle intègre les études d’élaboration, et en particulier de fabrication additive pour réaliser les pièces, et les moyens de caractérisation associés aux fonctions recherchées. L’objectif est de développer des matériaux multifonctionnels à propriétés mécaniques (impacts, vibrations, super élasticité), acoustique, thermique, optique, aérothermique, ou à gradient de propriétés.

En ce qui concerne le département DMAS, cette thématique est décomposée en trois axes de recherche:

  • Systèmes BT et multicouches : cet axe prend en compte les problématiques liées à l’ensemble superalliages, sous-couches et céramiques
  • Matériaux obtenus par Fabrication Additive (FA) : cet axe regroupe les matériaux transpirants et aspirants, les matériaux architecturés et les matériaux à gradient de propriété
  • Matériaux fonctionnels : cet axe englobe les céramiques fonctionnelles, les matériaux absorbeurs d’énergie et les composés pour l’optique non-linéaire

 

Modélisation et caractérisation multi-échelles et multi-physiques des matériaux

[CNU 60] [CoCNRS 9]

DMAS Louise Toualbi, Anna Ask (@ onera.fr)

Cette thématique scientifique concerne i) la modélisation du comportement multi-échelle des matériaux, ii) la modélisation des procédés et l’étude de leur impact sur le comportement mécanique macroscopique et iii) la modélisation multi-physique des matériaux et de leur dégradation en environnement complexe.

L'élaboration de modèles rendant compte du comportement macroscopique (en statique, dynamique et fatigue) via la prise en compte de l'évolution de la microstructure est un élément central de ces activités. En enrichissant ces modèles de composantes multiphysiques (diffusion, thermique, thermochimie, électrostatique, ...), il est possible de rendre compte de l'influence des procédés ou de l'environnement (oxydant, givrage, feu, foudre...) sur la tenue des matériaux et structures. La validation de ces modèles s'appuie sur des développements expérimentaux originaux et spécifiques.
Cette thématique s’articule autour des trois axes de recherche principaux :

  • modélisation du comportement des matériaux
  • modélisation des procédés
  • modélisation multi-physique de la dégradation des matériaux

Exemples

Simulation par champ de phase, en dynamique, à l'échelle de la microstructure de la rupture transverse d'un composite à matrice céramique (CMC). Ce type de simulation doit permettre de comprendre l'influence de certains paramètres d'élaboration du matériau (espacement entre les fibres,  ténacité du revêtement des fibres, etc) sur sa réponse macroscopique. Une approche par décomposition de domaines (méthode FETI) appliquée à une résolution par couplage de codes exploite 2x40 cœurs pour modéliser cette structure avec une très grande finesse de maillage (9 millions d'inconnues).
Collaboration avec Craig Przybyla (AFRL).

Contacts : Johann Rannou, Christophe Bovet (@ onera.fr)

Modélisation des phénomènes macroscopiques complexes (endommagement, fatigue, fissuration et rupture)

[CNU 60] [CoCNRS 9]

DMAS Myriam Kaminski, Martin Hirsekorn (@ onera.fr)

Cette thématique scientifique « Modélisation des Phénomènes Macroscopiques Complexes endommagement, fatigue, fissuration et rupture » est centrée sur la modélisation de phénomènes macroscopiques indispensables au dimensionnement des pièces innovantes et concurrentielles. Il s’agit en particulier de modèles d’endommagement et de fissuration qui reposent sur une description fine des mécanismes, en relation avec la thématique précédente.  La thématique implique un lien fort entre les activités de modélisation de l’endommagement et les activités expérimentales sous-jacentes, incluant le contrôle non-destructif pour la prévision de la nocivité des défauts.
Cette thématique embrasse trois axes de recherches principaux :

  • prévision de l’endommagement et de la durée de vie
  • prévision de la rupture et description de la fissuration sous chargement statique/dynamique/cyclique
  • détection et suivi de l’endommagement

Exemples

Application du modèle de fatigue incrémental ODpointM pour la prévision de la durée de vie 1) d’éprouvettes élémentaires, 2) de plaques trouées et 3) d’une structure industrielle en matériau composite tissé 2D oxyde/oxyde - étude Safran
[unité MC²]

 

Identification d’un modèle de plasticité cristalline en combinant corrélation d’images et cartographie EBSD pour modéliser la rupture ductile de l’aluminium AA2139 puis comparaison à des essais sur différentes géométries d’éprouvettes avec suivi in situ des mécanismes d’amorçage (projet européen CleanskyII) [unite M3S]

 


 

Mécanique structurale, conception et optimisation des structures

[CNU 60] [CoCNRS 9]

DMAS Cédric Julien, François-Xavier Irisarri (@ onera.fr)

Cette thématique regroupe l’ensemble des activités du DMAS traitant de la mécanique des structures. Elle inclut l’analyse, la conception et l’optimisation de structures, ainsi que leur instrumentation à des fins de contrôle santé intégré.

Les travaux s’articulent autour des quatre axes scientifiques principaux suivants :

  • conception des structures et leur optimisation
  • modélisation de la réponse des structures soumises à des agressions externes de type impact localisé ou crash
  • mécanique vibratoire
  • contrôle santé intégré

Exemple

 

 

 

Simulation couplée Euler/Lagrange de l'amerrissage d'avion de transport

Aéroélasticité

[CNU 60] [CoCNRS 9, 10]

DAAA Cédric Liauzun, Cyrille Stephan (@ onera.fr)

  • Aéroélasticité
  • Hydroélasticité
  • Dynamique vibratoire
  • Modélisation, simulation et identification
  • Prévision des performances, de la stabilité (flutter, LCO) et des réponses forcées
  • Prédiction et allègement de charges statiques et dynamiques

Exemples

CARACAL Conception aéroélastique pour la réduction de charge à la rafale Faire progresser les compétences en matière de conception aéroélastique optimisée de voilures flexibles en améliorant les méthodologies et outils de simulation numérique.

Le projet de l'European Research Council ERC-AEROFLEX, concerne les instabilités linéaires et non-linéaires des structures élastiques en interaction avec les fluides. L'amélioration de la description mathématique et numérique des instabilités a permis de concevoir une paroi élastique (orange) insérée dans un une paroi rigide (grise) qui retarde la transition laminaire-turbulent (bleu), ce qui réduit la trainée de frottement.  
 

* CNU : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national des universités (voir liste au CNU)
* CoNRS : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national de la recherche scientifique, en vigueur au CNRS (voir CoNRS/sections)