Thèse Métamatériaux Fonctionnalisés pour la Balistique Enjeux Croisés en Caractérisation Hautes Vitesses et Jumélisation Prédictive pour les Systèmes de Protection Avancés H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Polytechnique Hauts de France École doctorale : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'informatique Industrielles et Humaines Direction de la thèse : Gregory HAUGOU ORCID 0000000335716458 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Les métamatériaux architecturés, obtenus par fabrication additive, représentent une nouvelle génération de matériaux dont les propriétés mécaniques résultent principalement de leur architecture interne. Grâce à leur faible masse, leur capacité d'absorption d'énergie et leur aptitude à être fonctionnalisés (gradients de propriétés, hybridation, etc), ils constituent des candidats prometteurs pour les systèmes de protection contre les impacts dans les secteurs de la défense, des transports et de l'énergie. Toutefois, leur comportement sous des sollicitations balistiques demeure encore largement méconnu, ce qui constitue aujourd'hui un frein majeur à leur intégration dans des applications industrielles.

Dans ce contexte, cette thèse propose d'étudier le comportement dynamique de métamatériaux de type TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces) soumis à des impacts compris entre 80 et 400 m/s grâce au nouveau canon balistique du LAMIH. Cette gamme de vitesses, située entre les essais réalisés sur barres de Hopkinson et les régimes hypervéloces, reste aujourd'hui peu explorée alors qu'elle fait intervenir des phénomènes physiques complexes tels que la propagation d'ondes, les effets inertiels, les instabilités dynamiques ou encore les mécanismes rapides d'endommagement.

L'objectif principal est de développer une démarche intégrée associant expérimentation, modélisation numérique et conception prédictive afin de mieux comprendre et maîtriser la réponse mécanique de ces architectures sous impact. Le travail s'articulera autour de quatre axes scientifiques majeurs. Le premier consistera à identifier et hiérarchiser les mécanismes physiques gouvernant la réponse des métamatériaux aux très hautes vitesses de sollicitation. Le second portera sur le développement d'une instrumentation expérimentale innovante permettant d'accéder aux efforts de réaction, aux champs cinématiques et aux mécanismes d'effondrement grâce à des dispositifs de mesure synchronisés et à l'imagerie ultra-rapide. Le troisième axe visera l'élaboration de modèles numériques explicites multi-échelles capables de reproduire les phénomènes de propagation d'ondes, de compaction et d'endommagement observés expérimentalement. Enfin, le dernier axe cherchera à coupler les résultats expérimentaux et numériques afin de construire des outils de conception prédictive destinés au dimensionnement de structures de protection optimisées.

Le programme de recherche comprend le développement et la qualification de l'ensemble de la chaîne expérimentale associée au canon balistique, la réalisation de campagnes d'essais sur différentes architectures TPMS fonctionnalisées, la constitution d'une base de données expérimentales de référence ainsi que le développement de modèles numériques validés par identification inverse. Ces travaux permettront d'établir des relations entre architecture, mécanismes physiques et performances mécaniques sous impact, ouvrant ainsi la voie à l'optimisation de métamatériaux destinés à l'absorption d'énergie.

La thèse s'inscrit dans le projet collaboratif CRIC-AMI (Architectured Materials under Impact) soutenu par le Carnot ARTS et bénéficie de collaborations nationales avec l'IRDL, l'I2M, le PIMM, l'ESTIA et le CEA. Les retombées attendues concernent à la fois la production de nouvelles connaissances sur le comportement des métamatériaux sous impact, le développement de méthodologies expérimentales et numériques innovantes, ainsi que la mise à disposition d'outils directement transférables vers l'industrie pour la conception de structures légères à haute capacité d'absorption d'énergie, destinées notamment aux applications de protection balistique, de crash, de sécurisation des batteries et de protection de composants sensibles. Le développement des technologies de fabrication additive permet aujourd'hui de concevoir des matériaux architecturés aux performances inédites, dont le comportement sous sollicitations quasi-statiques et dynamiques modérées est désormais relativement bien connu. En revanche, leur réponse mécanique dans la gamme des impacts de haute vitesse - située entre les essais sur barres de Hopkinson et les régimes hypervéloces - demeure largement inexplorée. Ce domaine soulève de nouveaux défis en mécanique expérimentale, en physique des impacts et en modélisation numérique tout en visant à répondre à des besoins croissants de conception de structures légères de protection pour les secteurs de la défense, des transports et de l'énergie. valoriser les résultats scientifiques pour des applications industrielles.
- Couplage données expérimentales/modèles numériques.
- Etudes paramétriques et optimisation d'architectures fonctionnelles :
o absorption d'énergie,
o stabilité, (re) distribution du chargement,
- Démonstrateurs numériques prédictifs et expérimentations.
- Transfert vers des cas applicatifs (systèmes de protection : planchers, caissons, etc).
1°) Développement de moyens expérimentaux innovants pour les impacts de haute vitesse,
2°) Caractérisation expérimentale multi-instrumentée des matériaux architecturés,
3°) Modélisation numérique multi-échelle et identification inverse,
4°) Couplage étroit entre expérimentations et simulations numériques EF,
5°) Conception prédictive et optimisation de structures de protection.