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Habte , Haileleoul Sahle , 1980-....

Abdul-Latif , Akrum

Labergère , Carl

Naceur , Hakim , 19..-....

Ziane , Mustapha , 19..-....

Bergheau , Jean-Michel , 1957-....

Université de Cergy-Pontoise , 1991-2019

École doctorale Sciences et ingénierie , Cergy-Pontoise, Val d'Oise

Laboratoire Quartz , Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis

Modélisation par éléments finis de structures tubulaires métalliques comme composites écrasées axialement sous des régimes de charge quasi-statiques et dynamiques utilisées comme systèmes d'absorption d'énergie , Haileleoul Sahle Habte ; sous la direction de Akrum Abdul-Latif

Titre provenant de l'écran-titre

Thèse confidentielle jusqu'au 04 janvier 2021

Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)

Partenaire(s) de recherche : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis) (Laboratoire)

Autre(s) contribution(s) : Akrum Abdul-Latif, Carl Labergère, Hakim Naceur, Mustapha Ziane, Ibrahim Deiab, Jean-Michel Bergheau (Membre(s) du jury) ; Carl Labergère, Hakim Naceur (Rapporteur(s))

Thèse de doctorat Génie civil - Cergy Cergy-Pontoise 2019

Actuellement, nous pouvons trouver beaucoup de moyens de transport de différentes formes et quantités pour satisfaire la forte demande de mobilité humaine et de transport de marchandises. Et, ce moyen de transport peut être considéré comme l'un des piliers de l'efficacité de l'homme dans l'accomplissement de ses tâches. Ces produits d'ingénierie, pendant la période de service, peuvent rencontrer une collision inattendue avec des objets non identifié ou l'un à l'autre. Chacun de ces événements causerait des dommages catastrophiques au produit et aux humains. En tant que tels, ces produits doivent intégrer des composants en tant qu'outils de sécurité, et l'application des systèmes de dissipation d'énergie vient à cet égard.Ce travail s'est concentré sur une modélisation numérique de systèmes innovants de dissipation d'énergie non conventionnels développés et testés expérimentalement dans (Abdul-Latif et al, 2017) pour améliorer leur capacité d'absorption d'énergie. Le concept de base utilisait le flambement plastique axial de l'acier doux circulaire droit comme les tubes composites avec divers motifs cémentés. Un tel traitement thermique a été appliqué sur 15% de la surface extérieure avec une profondeur de 0,5 mm. Dans ce travail, une modélisation non linéaire par éléments finis a été réalisée décrivant la réponse de ces tubes en ciblant particulièrement leur comportement le long de l'épaisseur du tube.Le logiciel de simulation ABAQUS 6.14 a été utilisé pour l'analyse du flambement plastique des tubes en raison de la charge quasi statique et dynamique. D'où l'objectif de développer une plate-forme de conception commune. L'analyse non linéaire par éléments finis a d'abord été effectuée sur le tube conventionnel, puis sur les tubes non conventionnels. Les tubes non conventionnels, quatre modèles cémentés de 2, 3, 4 et 5 anneaux et deux autres modèles de 2 et 3 bandes verticales ont été modélisés et simulés.Pour l'élément de coque représentant un tube mince, un élément de coque S4R de 1 mm de diamètre a été utilisé afin d'obtenir une convergence de maille précise. Outre le matériau "tel que reçu" utilisé pour les tubes conventionnels, les comportements des matériaux durs et mous ont été modélisés pour les tubes non conventionnels. Pour la modélisation des matériaux, on a opté pour des matières plastiques élastiques avec trempe sous contrainte et effet de vitesse de déformation en fonction des différentes conditions de charge.Les résultats de simulation de tubes conventionnels et non conventionnels sur les processus de déformation et la courbe de déplacement de la charge ont été examinés et comparés aux résultats expérimentaux. Les résultats ont été assez semblables. De plus, les résultats de la charge moyenne d'affaissement, de l'absorption d'énergie et de l'efficacité de la charge d'écrasement ont été examinés. Une erreur maximale de 11,2 centiles a été enregistrée par 4R sous flambement dynamique dans toutes les études.En outre, une plate-forme de conception numérique avec plusieurs nouveaux modèles cémentés a été proposée. Ces propositions se composent d'une famille de nouvelles zones de 6R et 4V, d'une mixte de zones 3R3V, 3R4V et 4R4V , et d'une matrice de zones 9R_WH,12R_HW, 12R_HW,12C et 9C. Parmi ces derniers, les modèles 3R3V ont montré de meilleures capacités d'absorption d'énergie, en simulation de flambement quasi statique et dynamique, que les autres, même pour ceux observés expérimentalement. En face, le gain d'absorption d'énergie pour 3R3V a été enregistré à 42% par des simulations quasi-statiques et à 18,7% par des simulations dynamiques. Outre l'adoption d'une longueur de course d'essai différente de 50 mm et 40 mm pour la simulation quasi statique et dynamique, respectivement, un grand écart en percentile peut être augmenté en raison de la nécessité d'utiliser une équation constitutive complexe pour le comportement dur et mou en fonction du taux de déformation.

Currently, we can find many of transportation means of different forms and quantity to satisfy the high demand of human’s mobility and goods transportation. And, this transportation means can be considered as one of the pillars for human to do their tasks efficiently, and by large an important development tool for a country. These engineered products, during the service period, may encounter unexpected crush/collusion with foreign object or one to another. Each of these events would make catastrophic damage to product and harm to human. As such these products need to integrate components as safety tool, and application of energy dissipating systems comes to this front.This work focused on a numerical modeling of innovative non-conventional energy dissipating systems developed and tested experimentally in (Abdul-Latif et al, 2017) to enhance their energy absorption capacity. The basic concept utilized the axial plastic buckling of right-circular mild steel like composite tubes with various case-hardened patterns. Such a heat treatment has been applied on 15% of the outer surface with a depth of 0.5 mm. In this work, a nonlinear finite element modeling was conducted describing the response of such tubes targeting particularly their behavior along the tube thickness.Simulation software ABAQUS 6.14 was used the analysis the tubes plastic buckling due quasi-static and dynamic load. Parameters used in the non-linear finite element analysis were kept identical. Hence, a target of developing a common design platform (numerical simulation procedures) attained.The nonlinear finite element analysis was done first on the conventional tube and followed by non-conventional tubes. The non-conventional tubes, four case-hardened patterns of 2, 3, 4 and 5 rings and two other patterns of 2 and 3 vertical strips were modeled and simulated.For shell element representing a thin-tube, S4R shell element of 1 mm size was used looking for an accurate mesh convergence. Apart from the “as-received” material used for conventional tube, material behaviors for hard and soft were modeled for non-conventional tube. Elastic-plastic with strain hardening and strain-rate effect were adopted for material modeling respect to the different loading rate conditions. A surface interaction with normal pressure and a dry friction was highlighted by the contact between the tube surface-to-surface and the tube-to-rigid bodies. Initial geometry imperfection was integrated to initially trigger and mitigate the deformations.Simulation results of conventional and non-conventional tubes on deformation processes and load-displacement curve were examined and compared to experimental findings. Results were fairly matched. More, results of mean collapse load, energy absorption and crush load efficiency were reviewed. A maximum of 11.2 percentile error was recorded by 4R under dynamic buckling among all studies.Moreover, a numerical design platform with several new case-hardened patterns was proposed. These proposals compose a family of new ring and vertical strip case-hardened zones (6R, 4V), a mixed ring and vertical strip case-hardened zones (3R3V, 3R4V, 4R4V), and a matrix of rectangular or circular case-harden zones (9R_WH, 12R_HW, 12R_WH, 12C, 9C). Among the latter, patterns 3R3V showed better energy absorption capacities, in both quasi-static and dynamic buckling simulation, than the others even for those observed experimentally. In face the energy absorption gain for 3R3V was recorded 42% by quasi-static and 18.7% for dynamic simulations. Apart from adopting different test stroke length of 50mm and 40mm for quasi-static and dynamic simulation, respectively, a big percentile gap may be raised due to a need for using complex constitutive equation for hard and soft with strain rate dependent behavior.

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