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 Campagne 2016/2017 – Sujet de Thèse 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 Campagne 2016/2017 – Sujet de Thèse MEGA TITRE DU SUJET DE RECHERCHE/ RESEARCH SUJECT TITLE : Quantification et propagation des incertitudes en dynamique des structures Uncertainty quantification and propagation in structural dynamics Laboratory/laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et de Mécanique des Chocs – LBMC UMR_T 9406 – Université Lyon 1 – Ifsttar Biomechanics and Impact Mechanics Laboratory - – LBMC UMR_T 9406 – Université Lyon 1 – Ifsttar Site web : http://www.lbmc.ifsttar.fr/ Research team/Equipe de recherche : Equipe : Comportement au choc des Structures / Impact of Structures Site web : http://www.lbmc.ifsttar.fr/en/the-institute/ts22/laboratories/lbmc/equipe-derecherche/impact-of-structures/ Supervisor/Directeur de thèse: 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 Mechanics, Energetics, Civil Engineering, Acoustics Lab Language/Langue de travail: Français-Anglais / French – English Abstract/Présentation du sujet : 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 Campagne 2016/2017 – Sujet de Thèse MEGA TITRE DU SUJET DE RECHERCHE/ RESEARCH SUJECT TITLE : 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 Laboratory/laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et de Mécanique des Chocs – LBMC UMR_T 9406 – Université Lyon 1 – Ifsttar Biomechanics and Impact Mechanics Laboratory - – LBMC UMR_T 9406 – Université Lyon 1 – Ifsttar Site web : http://www.lbmc.ifsttar.fr/ Research team/Equipe de recherche : Equipe : Comportement au choc des Structures / Impact of Structures Site web : http://www.lbmc.ifsttar.fr/en/the-institute/ts22/laboratories/lbmc/equipe-derecherche/impact-of-structures/ Supervisor/Directeur de thèse: 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 Mechanics, Energetics, Civil Engineering, Acoustics Lab Language/Langue de travail: Français-Anglais / French – English Abstract/Présentation du sujet : 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.