Homogénéisation informatique pour la magnéto-mécanique
Les élastomères magnéto-sensibles (EMS) sont une nouvelle classe de matériaux dont le comportement mécanique est modifié par l'application d'un champ magnétique externe. Au cours des dernières années, ces matériaux intelligents ont reçu une grande attention, car ils pourraient être employés pour des applications d'ingénierie telles que des actionneurs et des amortisseurs à rigidité variable destinés aux systèmes mécaniques à commandes électroniques ou aux muscles artificiels utilisés dans des dispositifs robotiques et biomécaniques. Avant de pouvoir concevoir des dispositifs industriels utilisant les EMS, il faut encore régler de nombreux problèmes relatifs à la fabrication, aux essais et à la modélisation de ces matériaux. Pour répondre à ces besoins, le projet MOCOPOLY, financé par l'UE, a contribué à plus de 40 articles évalués par des pairs publiés dans la littérature scientifique, et portant sur divers sujets liés aux EMS. «Un résultat majeur des intenses efforts multinationaux a été le développement d'une méthodologie pour fabriquer de façon répétitive des EMS à des fins d'expérimentation», déclare Paul Steinmann, coordinateur du projet MOCOPOLY. Des expériences passionnantes Les chercheurs du projet ont acquis deux dispositifs pour des essais expérimentaux, à savoir un rhéomètre rotatif et une machine d'essai de traction. En utilisant ces appareils, les chercheurs ont développé des protocoles expérimentaux pour obtenir des résultats fiables et répétables. Des études expérimentales auxiliaires utilisant une technologie de pointe ont également permis aux chercheurs de comprendre en profondeur la structure interne des EMS et leur structure complexe aux niveaux macro et microscopique. Inspiré par les données expérimentales sur des EMS à l'état durci et non durci, le projet a pu réaliser une modélisation mathématique des caractéristiques de déformation macroscopique des EMS soumis à de fortes contraintes et en présence d'un champ magnétique. «Nous avons utilisé une approche exclusive pour intégrer la mécanique des structures imparfaites en forme de chaîne développées par les particules lorsque le matériau se durcit en présence d'un champ magnétique», explique M. Steinmann. Les chercheurs ont également développé un cadre informatique pour simuler le processus de durcissement des EMS magnéto-viscoélastiques sous l'influence d'une charge magnéto-mécanique, ainsi qu'un cadre unifié pour l'analyse informatique des EMS en utilisant un logiciel open source à haute performance. Certains aspects de ce cadre et les travaux dérivés ont ensuite été communiqués à la communauté open source. Pour compléter le travail à des échelles de longueur importantes, les scientifiques ont mené des études micro-structurelles pour déterminer l'influence des particules à l'intérieur des EMS. «Nous avons produit un modèle informatique prenant en compte les effets à l'échelle macroscopique et à l'échelle nanométrique. Grâce à cette amélioration, nous avons pu représenter des caractéristiques ne pouvant être observées qu'à cette échelle de longueur», explique M. Steinmann. Le processus d'homogénéisation a également permis à l'équipe d'estimer les propriétés efficaces à grande échelle d'un matériau hétérogène à partir de la réponse de la microstructure sous-jacente. En utilisant des méthodes de calcul, les chercheurs ont développé les méthodes déjà établies pour englober des phénomènes ne se déroulant qu'au cœur des EMS, dont la présence et l'interaction des particules magnétisables. «Nous avons par la suite mis au point et utilisé des approches pour réaliser une quantification statistique des incertitudes indiquées par les données expérimentales», déclare M. Steinmann. «Pour compléter et valider ces études, nous avons mis au point une méthode robuste pour identifier des paramètres microscopiques du matériau en nous basant sur des expériences macroscopiques.» Des résultats de grande envergure Grâce à ces expériences, le projet MOCOPOLY a réalisé d'importants progrès dans la compréhension des EMS. Grâce aux équations mathématiques fondamentales gouvernant la magnéto-élasticité et aux conditions dans lesquelles les études du projet ont été menées, une grande partie de la théorie développée pour la magnéto-mécanique peut aussi être directement appliquée à l'électromécanique, et vice-versa. «Grâce à ce chevauchement interdisciplinaire, nous avons pu élargir nos résultats à d'autres matériaux électromécaniques intelligents intéressants», ajoute M. Steinmann.
Mots‑clés
MOCOPOLY, élastomères magnéto-sensibles, MSE, champ magnétique externe, robotique, magnéto-mécanique