Propriétés mécaniques des métamilieux granulaires – MICROGRAM

D’un point de vue expérimental, le premier verrou à l’étude de ces grains est leur fabrication en masse. Nous avons mis en place une production semi-industrielle grâce à la même technique qui permet de produire la quasi-totalité des objets plastiques qui nous entourent : l’injection. L’impression 3D est venue en complément pour produire des formes spécifiques, mais avec des limitations sur les propriétés de surface des grains. Afin d’observer ces empilements, grain à grain, ces derniers n’étant pas transparents, nous avons utilisé une technique d’imagerie médicale : le scanner à rayons X. Il a alors fallu concevoir, d’une part, les appareils permettant des sollicitations mécaniques à l’intérieur de ces dispositifs d’imagerie et, d’autre part, les algorithmes de traitement d’image 3D pour isoler chaque grain, leur orientation et leurs contacts dans l’espace. D’un point de vue numérique, le défi n’était pas moindre, car les outils disponibles ne permettaient pas de traiter une quantité de grains aussi importante avec de telles géométries. Nous avons dû faire évoluer LMGC90, un outil de simulation granulaire conçu et développé dans notre laboratoire depuis une vingtaine d’années, afin qu’il puisse simuler le comportement de grains aux géométries complexes.

Nos travaux, forts de leur triple approche, ont permis d’une part de mieux comprendre ce qui induit la cohésion dans les milieux granulaires exotiques. Au-delà, lorsque cette cohésion est perdue, nous avons pu établir une loi de comportement décrivant leurs écoulements dans différentes géométries. La précision de ces formules analytiques, qui décrivent la totalité des observables du système lors de son écoulement, a été éprouvée par des simulations numériques et des mesures expérimentales. Au-delà de nos attentes, ces modèles ont montré qu’ils restaient valides même pour des grains de forme très simple. Cela clôt donc des questionnements scientifiques vieux de 30 ans.

Ces résultats sont et seront publiés dans six articles. Quatre manuscrits sont d’ores et déjà soumis, dont deux ont été acceptés. Parmi ces derniers, il y a notamment un article dans Physical Review Research qui présente le modèle analytique décrivant l’évolution des profils de densité, de contraintes et de vitesse dans un écoulement en tambour tournant, et ce, quelle que soit la géométrie des particules. Ces résultats ont reçu un accueil très enthousiaste de la part de la communauté des milieux granulaires, notamment lors de leur présentation à la dernière Gordon Conference.

Le but de ce projet est de prédire les propriétés mécaniques des métamilieux granulaires. Les milieux granulaires sont composés de particules solides macroscopiques indépendantes. Ces derniers ont été largement étudiés dans le cas de particules sphériques ou assimilées, mais très peu dans le cas de particules concaves. Leurs propriétés mécaniques sont pourtant principalement données par les interactions locales entre particules et donc par les formes de ces dernières. En conséquence, dévier fortement de géométries convexes, pour les particules, peu induire des propriétés macro-mécaniques singulières et encore inexplorées du paquet de grains. Ceci suggère la mis en place d'une nouvelle famille de milieux granulaires dont les propriétés mécaniques peuvent être contrôlées en changeant la forme des particules qui la compose : les métamilieux granulaires. Récemment, de tels matériaux faits de particules aux géométries complexes ont été testés comme matériaux de construction. À cause de la complexité due à la forme des particules, il parait impossible de mettre en place des lois constitutives entre la forme individuelle des grains et le comportement mécanique du milieu tout entier. Nous proposons ainsi une approche de ce problème par le biais de simulations numériques en grand nombre ; ces dernières ayant été auparavant validées par des expériences modèles. Ces simulations seront optimisées de sorte que le réseau de contacts obtenu coïncide avec les observations expérimentales. Les expériences seront faites pour des particules modèles et des géométries de chargement (compression et cisaillement) correctement choisies. Afin de calibrer les simulations numériques, la structure des milieux granulaires sera mesurée par tomographie X. À partir de cette dernière les position, orientation et contacts de chaque particule seront déterminés via un code maison de segmentation des images. Une fois les modèles numériques optimisés, ces derniers seront utilisés pour la production d'une grande masse de données pour un large choix de particules et de géométries de chargement. Ceci servira à entraîner un code d'intelligence artificiel qui sera alors à même de déterminer le comportement macro-mécanique d'un milieu granulaire à partir de la géométrie des particules qui le compose.