MEGA - Université de Lyon

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Accord CSC - UdL
Ecole Doctorale
Campagne 2016/2017 – Sujet de Thèse
ED 162 – MEGA
Three research subjects (see below):
1. Sensitivity analysis and robust evaluation of motorcyclist restraint systems (LBMC Lab)
2. Quantification et propagation des incertitudes en dynamique des structures/Uncertainty
quantification and propagation in structural dynamics (LBMC Lab)
3. Quantification des incertitudes et fiabilité des mesures pour la caractérisation de matériaux à
faible impédance par barres de Hopkinson / Uncertainty quantification and reliability of
measures of Split Hopkinson pressure bar for low impedance material characterization
(LBMC Lab)
Accord CSC - UdL
Ecole Doctorale
MEGA
TITRE DU SUJET DE RECHERCHE/ RESEARCH SUJECT TITLE :
Analyse de sensibilité et évaluation robuste des écrans de protection motard.
Sensitivity analysis and robust evaluation of motorcyclist restraint systems.
Laboratory/laboratoire :
Biomechanics and Impact Mechanics Laboratory - – LBMC UMR_T 9406 – Université Lyon 1 – Ifsttar
Laboratoire de Biomécanique et de Mécanique des Chocs – LBMC UMR_T 9406 – Université Lyon 1 –
Ifsttar
Site web : http://www.lbmc.ifsttar.fr/
Research team/Equipe de recherche :
Impact of Structures / Comportement au choc des Structures
Site web : http://www.lbmc.ifsttar.fr/en/the-institute/ts22/laboratories/lbmc/equipe-derecherche/impact-of-structures/
Supervisor/Directeur de thèse:
Michel MASSENZIO, Professor, Université Claude Bernard Lyon1
[email protected]
Co-supervisor : Denis Brizard, Researcher, Ifsttar
[email protected]
Doctoral School/Ecole doctorale :
Mechanics, Energetics, Civil Engineering, Acoustics
Mécanique, Energétique, Génie civil et Acoustique
Lab Language/Langue de travail:
French – English / Français-Anglais
Abstract/Présentation du sujet :
English
Motorized two-wheelers account for a significant proportion of fatalities and serious injuries in road
accidents: 23% of deaths but only 2% of the vehicle fleet (France 2015 [ONISR2015]). When
impacting a vehicle restraint system, the risk of death for a motorcycle rider is 15 (Europe) to 80
(USA) times higher than for other vehicles [EuroRap2008]. The procedures for evaluating motorcyclespecific protection devices differ from one country to another, but overall they are based on one or
two experimental tests. These procedures do not take into account two types of uncertainties:
-
Uncertainties related to the devices: characteristics of materials, dimensions, nature of the
soil ...
Uncertainties related to the conditions of impact: speed, angle of incidence, position of the
rider, ...
In both cases, the variability is large and can have great consequences on the results and thus on the
quality of the device; evaluated both on motorcyclist injury criteria (HIC, forces, moments measured
on the dummy) and on the effectiveness of the restraint.
This subject of thesis is integrated in the research topic on the road restraint devices which have
already led to 3 PhD theses.
The research project of the thesis is divided into different tasks:
-
State of the art of the existing devices - Study of the standards in progress.
Multi rigid body numerical studies for the initial conditions of impact of the rider on a screen.
Objective: statistical distribution of the initial conditions of impact.
Finite elements study of the impact motorcyclist / screen.
o Step 1: Validation of the numerical model with respect to real tests (numerical model
of dummy including equipment, restraint system)
o Step 2: Experiment plan for sensitivity analysis
Finally, a mixed experimental and numerical approach combined with a sensitivity analysis will be
proposed for the evaluation and the modeling of motorcycle restraint systems.
French
Les usagers de deux-roues motorisés constituent une part importante des décès et blessés graves
lors d’accidents routiers : 23% des décès pour 2% du parc véhicule (France 2015 [ONISR2015]). Lors
d’un impact sur un dispositif de retenu de véhicules, le risque de décès pour un motard est de 15
(Europe) à 80 (USA) fois supérieur à celui des autres véhicules [EuroRap2008]. Les procédures
d’évaluation des dispositifs de protection spécifique motard (écrans motard) diffèrent suivant les
pays, mais globalement, ils reposent sur un ou deux essais expérimentaux. Ces procédures ne
prennent pas en compte deux types d’incertitudes :
-
Incertitudes liées aux dispositifs : caractéristiques matériaux, dimensions, nature du sol…
Incertitudes liées aux conditions d’impact : vitesse, angle d’incidence, position du motard, …
Dans les deux cas, la variabilité est grande et peut avoir de grandes conséquences sur les résultats et
donc sur la qualité du dispositif ; évalué à la fois sur des critères de blessure du motard (HIC, forces,
moments mesurés sur le mannequin) et sur l’efficacité de la retenue.
Ce sujet de thèse s’intègre dans la thématique de recherche sur les dispositifs de retenu routiers qui
ont déjà conduit à 3 thèses.
Le projet de recherche de la thèse se décline en différentes tâches :
-
Etat de l’art des dispositifs existants - Etude des normes en cours.
Etude numérique multi corps rigides des conditions initiales de l’impact du motard sur un
écran. Objectif : distribution statistique des conditions initiales d’impact.
Etude numérique éléments finis de l’impact motard / écran.
o
Etape 1 : validation du modèle numérique vis-à-vis d’essais réels (modèle numérique
de mannequin y compris équipements, dispositif de retenu)
o
Etape 2 : Plan d’expérience pour analyse de sensibilité
In fine, une démarche mixte expérimentale et numérique associée à une analyse de sensibilité sera
proposée pour l’évaluation et la modélisation des dispositifs de retenu motards.
Previous PhD supervised on the subject / Thèses précédentes sur le sujet :
- PhD Clément GOUBEL – Vehicle restraint system crash test modelling using determinist models
and probabilistic approach – Application to steel-wood structures. 2012
- PhD Vidjannagni KODJO - Evaluation et modélisation de dispositifs de retenu de route pour
motards. 2016
- PhD Gengjian QIAN - Sensitivity and robustness in industrial engineering – methodologies and
applications to crash tests. 2017
References/mots-clés:
Dynamics – crash test simulation – rigid multi-body model & finite element model – road safety –
motorcyclist restraint system – biomechanical injury criteria – uncertainties – sensitivity analysis.
Dynamique – simulation numérique de crash test – modèle multi corps rigide & modèle éléments
finis – sécurité routière – écran de retenu motard – critères de blessure biomécanique – incertitudes
– analyse de sensibilité.
Accord CSC - UdL
Ecole Doctorale
MEGA
Quantification et propagation des incertitudes en dynamique des structures
Uncertainty quantification and propagation in structural dynamics
Ifsttar
Equipe : Comportement au choc des Structures / Impact of Structures
Eric Jacquelin – Professor – Université Lyon 1
Co-supervisor : Denis Brizard – Researcher - Ifsttar
Adresse mail : [email protected] / [email protected]
Doctoral School/Ecole doctorale : MEGA 162
Mécanique, Energétique, Génie civil et acoustique
Français-Anglais / French – English
Résumé/Présentation du sujet
Contexte
L’évaluation de l’impact des incertitudes sur le comportement des structures est un enjeu
important pour l’évaluation de la robustesse des modèles mais aussi dans le cadre du virtual testing
(utilisation de simulations numériques dans un cadre réglementaire). Ces incertitudes peuvent être
dues à des processus aléatoires –et donc non réductibles– ou dues simplement à un manque de
connaissance ; elles peuvent porter sur les sollicitations de la structure, ou bien sur la structure ellemême. La quantification des incertitudes en mécanique est un sujet relativement récent, rendu
possible notamment par l’augmentation des puissances de calcul. Les premières applications furent
les calculs statiques, puis vint le traitement des incertitudes en dynamique des structures, en
particulier grâce aux travaux de Ghanem sur le chaos polynomial. L’introduction des incertitudes en
dynamique rapide est un thème émergeant ; les calculs déterministes étant déjà coûteux, la prise en
compte de la variabilité par des méthodes de Monte Carlo est une approche dont les limites sont
rapidement atteintes. C’est pourquoi des méthodes alternatives –moins gourmandes en temps de
calcul– restent à développer.
Le travail de la thèse consistera à développer une stratégie de quantification des incertitudes
adaptée aux particularités des calculs de dynamique rapide : non-linéarité des lois de comportement,
grandes déformations, gestion des contacts. Par ailleurs, la question de la représentation de résultats
de dimension élevée –espace, temps, incertitude– sera abordée, ainsi que la signification réelle et
l’interprétation physique des grandeurs statistiques extraites –par exemple moyenne et écart-type.
Verrous scientifiques :
1. Modélisations possibles des incertitudes (variables aléatoires, variables floues,…) ;
2. Caractérisation de la réponse transitoire d’un système incertain en vue d’un
dimensionnement ;
3. Détermination de la fonction densité de probabilité de la réponse d’un système non-linéaire.
Sujet de thèse :
Cette thèse vise à étudier les systèmes dynamiques incertains. Ces systèmes sont soumis à des
sollicitations de type impact/choc. Typiquement, ils peuvent représenter le comportement de
véhicules lors d’un crash : on est donc dans le cadre de la dynamique rapide où les réponses
transitoires sont prépondérantes. Ces systèmes peuvent être non-linéaires : cela représente un
éventuel comportement plastique représentant la dissipation d’énergie lors de l’impact.
Démarche de travail, méthode
La bibliographie doit dans un premier temps permettre de développer les résultats de référence. Cela
implique de connaitre les méthodes d’échantillonnage pour effectuer des simulations de Monte
Carlo.
La résolution de problèmes liés à l’évolution temporelle de systèmes dynamiques incertains a été
essentiellement étudiée en mécanique des fluides. En particulier des outils spécifiques (chaos
polynomiaux) ont été mis en place afin de mettre en évidence la stabilité des régimes d’écoulement
des fluides. Une bibliographie doit donc être effectuée afin de connaitre les stratégies de résolution
de ces problèmes, dans ce contexte.
En mécanique des structures et des solides, les systèmes dynamiques incertains ont été
essentiellement étudiés lorsqu’ils sont soumis à une excitation harmonique ou périodique. Dans ce
cadre, les réponses obtenues correspondent au régime permanent. Avant de s’intéresser au régime
transitoire de systèmes dynamiques, il faudra s’approprier ce qui a été fait dans la littérature sur les
systèmes dynamiques incertains en régime permanent.
Le travail de recherche s’effectuera par étapes en partant de systèmes simples (linéaires) et en se
complexifiant au fur et à mesure de l’avancée du travail. De même, dans un premier temps,
l’excitation sera modélisée par une force extérieure de type « demi-sinus », puis elle sera la
conséquence d’une interaction avec un solide rigide indéformable venant percuter le système
incertain, via une loi d’interaction (loi de Hertz par exemple) : le système global étudié aura donc une
non-linéarité non-régulière. On pourra également s’intéresser à la réponse incertaine du projectile.
Une réflexion particulière doit être faite tout au long de ce travail sur la description des résultats et
sur leur pertinence dans un contexte d’ingénierie. En particulier, on étudiera l’intérêt des deux
premiers moments statistiques (moyenne, écart-type) pour décrire la réponse d’un système
aléatoire. De même, le choix de la nature de l’incertitude devra être posé. En effet, les incertitudes
ne sont pas toujours connues à travers une description statistique (variable aléatoire), mais à travers
un intervalle de variation (variable floue). Dans ce dernier cas, il est clair que la réponse ne peut pas
se faire sous forme statistique.
Mots-clefs : Incertitudes, métamodèles, chaos polynomial, régime transitoire, dynamique des
structures.
English version
Abstract / Subject explanation
Context:
The work is concerned with the simulation of uncertain systems undergoing an impact. A car crash is
a typical example of such event, especially when the system can sustain permanent (plastic)
deformations. In this specific example, the system is uncertain: even the repartition of the masses is
not known because the number of people inside the car and the type of people (adults, children) are
uncertain. Obviously the geometrical dimensions as well as the material properties are only assumed
to be inside a confidence corridor. All of these uncertainties may influence the response and then the
safety of the passengers.
Even if these issues are well-known, very few works have been done so far due to its complexity.
However, some tools have been developed for the last two decades, which recent advances in
describing steady-state response of uncertain dynamical systems. Works have been successfully
conducted in that field, by using a specific tool, the polynomial chaos expansion. This approach has
been extensively used for the last 25 years in solid mechanics thanks to the works by Ghanem and
Spanos and in fluid mechanics. However few studies have been carried out in structural dynamics
and, among them, very few works considered transient loading.
Subject:
Most of the response of the uncertain dynamical system undertaken an impact has a very short
duration.
In practice, a deterministic simulation is carried out and the time discretization is chosen so as
achieving the convergence of numerical results. Indeed, the most widely technique to propagate
uncertainties and assess sensitivity to parameters is the Monte Carlo simulation (MCS). This
technique is quite versatile but time consuming due to its slow convergence rate.
Expansion methods have been developed to tackle the Monte Carlo simulation drawbacks. Among
them, the polynomial chaos expansion emerged as an efficient surrogate model.
This work lays on the use of the polynomial chaos (PC) to describe and to propagate uncertainties.
Obviously, one of the complexities of this problem comes from the impact nonlinearity that is not
differentiable. So a smooth nonlinearity will be studied first. In particular, a Duffing oscillator with
random parameters will be studied for uncertainty propagation. Stochastic steady-state and
transient dynamic response will be obtained using PC expansion and validated using MCS.
However the specificity of impact solicitation is not only the nonlinearity but also the nondifferentiability: this action is locally governed by contact interaction laws, such as Hertz’s law.
Hertz’s stiffness is a function of mechanical and geometrical properties of the structures involved in
the impact. So a statistical description of the contact stiffness must be achieved from the statistics of
the Young’s modulus and the geometry of the structures.
Further, the influence of the time discretization and the integration scheme will be studied: the
simulation involves time discretization, which may influence the detection of contacts and then the
response.
So, briefly, the study will be performed on an uncertain dynamical system with few degrees of
freedom that experiences contacts with a stop modelled by an uncertain nonlinear spring, which
statistical features have to be determined. However, this nonlinearity is non-regular. So a first study
will be carried out on the same system connected to a rigid wall by a nonlinear spring (cubic). The
uncertainties will be propagated with the polynomial chaos approach for example.
This first step will give progresses in describing the uncertain response of an impacted structure. The
next step will be the study of an uncertain dynamical system that includes elastic-plastic like
behaviour (sliding frictional element). This is more complicated but more representative of a
(simplified) car-crash event.
Describing the response in time domain of an uncertain dynamical system submitted to an impactlike action is new and arises many questions. In particular, usually, the response are described
through the first two statistical moments (mean, standard deviation), which are used to describe
“safety corridors”. However, the statistical response distribution may be far from the Gaussian
distribution: then there is no reason to define a corridor from the first two statistical moments. So it
is of the utmost importance to define the right quantities that must be evaluated to design a
structure, a car, a plane. That requires linking the world of statistics to the Engineering world.
Keywords : uncertainties, surrogate models, polynomial chaos, transient response, structural
dynamics.
Accord CSC - UdL
Ecole Doctorale
MEGA
Quantification des incertitudes et fiabilité des mesures pour la caractérisation de matériaux à faible
impédance par barres de Hopkinson.
Uncertainty quantification and reliability of measures of Split Hopkinson pressure bar for low
impedance material characterization
Ifsttar
Equipe : Comportement au choc des Structures / Impact of Structures
Sylvie Ronel – Professor – Université Lyon 1
Co-supervisor : Denis Brizard – Researcher - Ifsttar
Adresse mail : [email protected] / [email protected]
Doctoral School/Ecole doctorale : MEGA 162
Mécanique, Energétique, Génie civil et acoustique
Français-Anglais / French – English
Résumé/Présentation du sujet
Contexte
Le Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs a étendu ses moyens d'essais en
dynamique rapide en réalisant, au sein de l'équipe mécanique et comportement au choc des
structures, un banc de caractérisation des matériaux de type barres de Hopkinson.
Les mousses sont des matériaux de plus en plus utilisés (casques, blousons…) pour absorber
l’énergie d’impact lors de chocs tels que des accidents de la route…. Ces mousses sont très diverses
et nécessitent d’être caractérisées dynamiquement. Or ces matériaux à faibles impédances ont un
comportement très loin des matériaux standards tels que les métaux.
L'équipe structure du LBMC a conçu, réalisé et assemblé un banc d'essai SHPB (Split Hopkinson
Pressure Bar) pour la caractérisation dynamique de matériaux à hautes vitesses de déformation
(100s-1 à 10000s-1) et en compression.
Lors des tests de caractérisation de matériaux non métalliques à faible impédance, des problèmes
liés à l'utilisation de barres de mesure en polymère (viscoélastique) apparaissent ; en effet, les
signaux de déformation sur les faces de l'échantillon sont reconstruits à partir des signaux mesurés
au milieu des barres de mesure, il faut alors prendre en compte l'atténuation dans cette phase de
reconstruction.
Enfin, un modèle numérique éléments finis du banc d'essai et des outils de traitement des
signaux enregistrés dans les barres sont en cours de développement.
Sujet de thèse :
La thèse débute avec une étude bibliographique sur deux plans. Un premier sur les
incertitudes et leur quantification (états de l’art). Un second sur le fonctionnement des barres
d’Hopkinson, afin de s'approprier leur fonctionnement, comprendre les phénomènes en jeu et
appréhender les spécificités des barres en polymère pour tester les matériaux à faible impédance.
Puis vient une prise en main expérimentale et numérique des barres de Hopkinson
métalliques: mise en place des essais (conduite), calibrage du banc; dépouillement des mesures,
extraction de la loi de comportement du matériau testé; recalage du modèle numérique des barres
métalliques élastiques, et notamment du modèle de dispersion géométrique liée au rayon des
barres.
Les barres polymères seront ensuite étudiées pour la caractérisation de matériaux à faible
impédance: essais, mesures, dépouillement; recalage du modèle numérique des barres
viscoélastiques, et notamment du modèle d'atténuation dû au caractère visqueux des barres
polymériques. En effet, il est nécessaire -pour obtenir les déformations sur les deux faces de
l'échantillon- de propager les signaux mesurés au milieu des barres.
Au cours des essais, des plans d'expériences permettront d'évaluer l'influence de certains
paramètres: longueur des différentes barres constituant le banc d'essai; dimensions de l'échantillon
testé (rayon et longueur); taille et emplacement des jauges de déformation; lubrification des
interfaces entre les barres et l'échantillon; mise en forme de l'onde transitant dans les barres (pulse
shaping); etc.
Enfin, après s’être parfaitement approprié le processus d’essai, une part importante de la thèse sera
consacrée à la quantification des incertitudes de mesure et de simulation : le but étant d'évaluer la
robustesse des essais et d'encadrer les résultats -loi de comportement obtenue expérimentalementquantitativement
Mots-clefs : quantification des incertitudes, modélisation numérique, essais dynamiques, barres de
Hopkinson.
English version
Abstract / Subject explanation
Context:
The LBMC widened its facilities in material testing with the development of a split Hopkinson
pressure bar (SHPB) apparatus for high speed material testing, within the team "Impact of
structures".
Foams are more and more used (helmets, jackets …..) to absorb the impact energy when road
accidents occur. Lots of kind of foams exist that need to be tested in dynamic conditions. But, these
very low impedance materials have a very different behavior comparing to standard materials such
as metals.
The team "impact of structures" designed, built and assembled a SHPB apparatus for dynamic
compression testing of materials in the deformation speed range of 100s-1 to 10000s-1. Problems
arise when testing low impedance materials (typically no metallic materials, such as polymers); these
low impedance materials require low impedance bars for impedance match between the sample and
the bars: polymeric SHPB are therefore employed. Using a viscoelastic bar material introduces
attenuation of signals strains measured at the middle of the bars: this has to be taken into account in
when propagating the measured signals to compute the deformation at the sample faces.
A finite element numerical model of the bars is under development, along with signal processing
and propagation tools.
Subject:
A great part of the thesis will be devoted to uncertainty quantification, both in experimental
measures and in simulation of SHPB apparatus using low impedance bars. Our aim is to evaluate
tests robustness and to find results bounds of experimental constitutive law obtained with the SHPB
apparatus and the associated processing.
This thesis will be planed as following:
It will begin with a bibliographic study in order to appropriate the functioning of the SHPH
apparatus, understand underlying phenomena and apprehend the specificity of polymeric bars for
low impedance material testing.
Then, first tests will be conduct on high impedance -metallic- bars, both numerically and
experimentally: with known samples, calibration of the bench; extraction of data and constitutive
law; model updating of the elastic metallic bars.
Once this first step done and all tools mastered without the attenuation effect in the bars,
the main part of this work will start by focusing on low impedance material characterization: tests,
data processing; damping characterization of the bars, accurate attenuation correction for precise
data processing. Design of experiments on low impedance bars and materials will allow evaluating
parameters influence (as length of the impact and measure bars; dimensions of the specimen size
and location of the strain gages; lubrication of the interface between the bars and the sample; pulse
shaping; etc.) and tests robustness.
Keywords : uncertainty quantification, numerical modeling, dynamic testing of materials, split
Hopkinson pressure bar.

MEGA - Université de Lyon

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