Thématiques du GDR

Pour aborder la problématique du comportement des milieux fibreux, le GDR 3MF propose comme pistes d’investigation les champs suivants :

• Caractérisation géométrique des micro-structures des milieux fibreux et de leurs évolutions

  La détermination de la géométrie de ces milieux, en particulier par une identification et le suivi des lignes moyennes des fibres, de leur courbure, et des multiples contacts fibre-fibre est essentielle d'une part pour prédire les propriétés mécaniques qui dépendent par exemple des variations de courbures, des orientations locales des fibres et de leurs contacts, et d'autre part pour caractériser la microstructure et ses porosités qui conditionnent les imprégnations du milieu par différents substrats. Au niveau expérimental, le développement des dispositifs d’imagerie par microtomographie à rayons X (tomographes de laboratoire, grands instruments) et d'outils de traitement d'images pour aller identifier, caractériser fibres et contacts et suivre leurs évolutions (mesure de champs cinématiques discrets) doit permettre de mieux appréhender les micro-mécanismes de déformations au sein de ces réseaux. Des approches de simulation peuvent être menées en parallèle pour aider à reconstruire ces milieux. Des modèles théoriques sont nécessaires pour caractériser ces géométries et aider à comparer et à valider les résultats issus des approches expérimentales et de simulation.

• Caractérisation des propriétés mécaniques aux différentes échelles

  De nombreuses difficultés apparaissent relativement à l'identification expérimentale du comportement d'échantillons de matériaux fibreux. Le choix des échantillons représentatifs à tester vis-à-vis des problématiques que posent ces structures élancées, la mise en place d'un pilotage adapté sur les bords de l'échantillon, ainsi que l'application de chargements combinés pertinents figurent parmi ces difficultés. Le développement de mesures de champs permettant d'identifier les déplacements hétérogènes voire les coulages thermomécaniques au sein de la structure apparaît nécessaires pour ne pas limiter les résultats expérimentaux à des grandeurs globales. Enfin, la mise en place de procédures et d’essais micromécaniques pour permettre des identifications aux échelles microscopiques sont nécessaires pour explorer les problématiques d'interactions de contact-frottement à l'échelle des fibres.

• Recherche de modèles rhéologiques aux différentes échelles

  La formulation de modèles mécaniques aux différentes échelles capables de rendre compte des mécanismes de déformations complexes au sein de ces milieux demeure un sujet problématique. Ces modèles sont nécessaires pour aborder la simulation mécanique des milieux fibreux aux échelles mésoscopique et macroscopique. Quatre aspects peuvent être envisagés :
  • Formulation de modèles pertinents à l'échelle microscopique, pour rendre compte du comportement individuel des fibres (effets d'anisotropie et comportements non-linéaires) et caractériser les interactions de frottement entre elles ;
  • Elaboration d’un cadre théorique pour un changement d’échelle permettant de dire si un milieu continu équivalent existe, et de donner le cas échéant sa nature (Cosserat, Cauchy….) et les propriétés fondamentales de la loi de comportement effective (hyperélasticité, etc.) ;
  • Calcul des propriétés effectives soit par méthode analytiques (quand le VER est simple), soit par résolution numérique par des méthodes multi-échelles de type FE2 ;
  • Formulation et identifications des lois constitutives à l’échelle supérieure capables de rendre compte des phénomènes et mécanismes aux échelles inférieures (frottements, endommagements, localisations). Les approches développées dans le cadre de la mécanique des milieux granulaires pour modéliser leurs comportements non-linéaires et couplés méritent d'être étudiées pour déterminer ce qui peut être transposable aux problématiques des milieux fibreux.

• Interactions des milieux fibreux avec leur environnement : acoustique et fluides

  Cette prise en compte constitue un autre aspect incontournable : il s’agit de se concentrer sur les sources « extérieures » capables de modifier foncièrement le comportement mécanique des milieux fibreux aux différentes échelles. On s’intéresse par exemple aux différents types de couplages :
  • Couplage hygro-mécanique : hygro-expansion et stabilité dimensionnelle des milieux fibreux organiques, évolutions de leurs propriétés mécaniques avec le degré d’humidité ;
  • couplage thermomécanique : thermo-expansion, changement de phase et mécanique (cas par exemple de fibres en alliages à mémoire de forme) ;
  • Couplage hydro-mécanique : cas des milieux partiellement saturés, analyse des interactions fluide-microstructures : élasto-capillarité, fluides complexes, filtration. Ces problématiques sont cruciales dans beaucoup de secteurs (mise en forme des composites, ingénierie des biomatériaux,…). Par exemple, le cas des scaffolds utilisés à des fins médicales(substitut d’un ligament endommagé), la porosité joue un rôle important sur la capacité d’ensemencement des cellules souches dont la croissance attendue permettra de reconstituer le tissu biologique d’origine ;
  • Couplage mécano-acoustique : étude des interactions vibratoires entre l'air et les milieux fibreux utilisés pour leurs propriétés acoustiques S’atteler à la caractérisation d de ces couplages et à leur modélisation, toutes deux encore peu abordées dans le cas de structures fibreuses, font partie des préoccupations du GDR.