Matériaux architecturés pour le stockage mécanique de l'énergie

Le stockage mécanique de l'énergie par déformation élastique récupérable constitue une voie prometteuse pour développer des systèmes de stockage compacts, durables et rapidement rechargeables. Les dispositifs conventionnels de stockage élastique reposent toutefois généralement sur des concepts structuraux prédéfinis, tels que les ressorts, ce qui limite l'exploitation du matériau et de l'architecture structurale comme variables de conception. Les avancées récentes dans le domaine des matériaux architecturés, de la mécanique non linéaire, de la conception numérique et de la fabrication additive ouvrent de nouvelles possibilités pour concevoir des mécanismes de déformation spécifiquement adaptés à un stockage efficace de l'énergie. Ce projet de thèse vise à développer une méthodologie numérique systématique pour la conception de systèmes architecturés de stockage mécanique de l'énergie. L'idée centrale consiste à explorer conjointement trois dimensions de conception couplées : le matériau constitutif, l'architecture des éléments structuraux et l'architecture globale de la cellule. Les structures chirales constitueront un premier cas d'étude, avec une attention particulière portée aux mécanismes de déformation non linéaires combinant compression, flexion et torsion, ainsi qu'aux phénomènes de flambement élastique et de post-flambement. Les performances seront évaluées à partir de l'énergie élastique récupérable et de l'efficacité avec laquelle une architecture donnée exploite la capacité de stockage énergétique du matériau constitutif. Les travaux combineront des descriptions géométriques paramétrées, des simulations par éléments finis en grandes transformations et des méthodes d'optimisation numérique. Des modèles de complexité croissante, depuis des modélisations par poutres et coques jusqu'à des modèles tridimensionnels détaillés et des structures multicellulaires, permettront de prédire la réponse force-déplacement, les énergies stockée et récupérable, les concentrations de contraintes et de déformations ainsi que les limites de stabilité. Des modèles d'ordre réduit et des modèles de substitution seront utilisés pour explorer des espaces de conception plus vastes lorsque le coût des simulations non linéaires répétées devient prohibitif. Les contraintes mécaniques, géométriques et liées à la fabrication, notamment la résistance mécanique, les imperfections géométriques, la stabilité et les contraintes de fabricabilité, seront progressivement intégrées à la démarche d'optimisation. Les architectures sélectionnées seront fabriquées, principalement par fabrication additive, puis testées expérimentalement sous chargements monotones et cycliques afin de valider les prédictions numériques et de caractériser l'énergie récupérable, la répétabilité et la robustesse. Le projet doit ainsi aboutir à une méthodologie générale de conception reliant les propriétés du matériau, l'architecture structurale locale et les mécanismes de déformation à l'échelle globale aux performances de stockage mécanique de l'énergie. À l'échelle du système, cette approche ouvre à terme la voie à une batterie mécanique architecturée : un dispositif structural dans lequel le matériau et l'architecture sont conçus conjointement pour stocker puis restituer de l'énergie mécanique par déformation élastique récupérable. École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Direction : Eduard MARENIC Financement : MSCA COFUND BEST