Thèse Matériaux Architecturés pour le Stockage Mécanique de l'Énergie H/F - Doctorat.Gouv.Fr
- Toulouse - 31
- CDD
- Doctorat.Gouv.Fr
Les missions du poste
Établissement : Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Laboratoire de recherche : ICA - Institut Clément Ader Direction de la thèse : Eduard MARENIC ORCID 0000000340628110 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 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. Mechanical energy storage through recoverable elastic deformation offers attractive characteristics including rapid charge-discharge, direct conversion between mechanical work and stored energy, and potentially high durability. Conventional systems, however, generally rely on predefined structural concepts such as springs, leaving limited freedom to tailor how the constituent material is mechanically loaded.
Architected materials provide a fundamentally broader design space in which geometry can be used to control deformation mechanisms and macroscopic mechanical response. Chiral architectures are particularly promising because axial deformation can be coupled with rotation, bending and torsion. Recent work has demonstrated that twist-buckling mechanisms can generate large recoverable elastic energies by combining several deformation modes, while computational approaches have shown that chiral architectures can be generated automatically rather than exclusively through intuition-driven design. Complementary studies further suggest that energy-storage performance can be influenced not only by the global architecture, but also by introducing architecture within the individual load-bearing members.
A major open question is therefore how such structures should be systematically designed for energy storage, rather than selected from predefined topologies. This project addresses this gap by considering the constituent material, structural-member architecture and global cell architecture as coupled design variables. At the system level, this concept ultimately points towards an architected mechanical battery, in which material and structural architecture are jointly designed to store and release mechanical energy through recoverable elastic deformation. The main objective of this PhD project is to develop a systematic computational methodology for the design of architected structures capable of efficiently storing and releasing mechanical energy through recoverable elastic deformation.
The research will address three coupled design dimensions: constituent material, structural-member architecture and global cell architecture. The specific objectives are to:
1. establish performance metrics quantifying recoverable elastic energy and the efficiency with which an architecture exploits the energy-storage capacity of its constituent material;
2. develop parameterized representations enabling the systematic exploration and generation of architected energy-storage structures;
3. identify nonlinear deformation mechanisms and structural-member architectures that enhance energy storage while controlling stresses and structural instabilities;
4. integrate nonlinear mechanical models with numerical optimization strategies to systematically generate and improve candidate architectures;
5. experimentally validate selected designs and assess their robustness, repeatability and cyclic behaviour.
The broader objective is to establish transferable design principles linking material properties, local structural architecture and global nonlinear deformation mechanisms to mechanical energy-storage performance. The project will combine parameterized geometric modelling, nonlinear computational mechanics, numerical optimization, additive manufacturing and experimental mechanics.
Chiral architectures will initially provide reference configurations for developing and validating the methodology. Parameterized representations will be established using physically meaningful geometric, material and structural-member variables, while geometric, mechanical and manufacturing constraints will define the corresponding admissible design spaces. The representation will then be progressively enriched by introducing additional member-level and cell-level design variables and, where relevant, alternative architectural choices.
Geometrically nonlinear finite-element models will be used to predict force-displacement response, stored and recoverable elastic energy, stress and strain distributions, buckling and post-buckling behaviour, and stability limits. A hierarchy of modelling approaches will be employed according to the required accuracy and computational cost. Beam and shell models will support repeated design evaluations, while selected configurations will be verified using detailed three-dimensional solid models and complete or multi-cell structures to capture local effects and collective instability modes.
These mechanical models will be integrated into a computational design loop in which candidate architectures are parametrically generated, mechanically evaluated and iteratively optimized. The design space will progressively address the three coupled design dimensions: constituent material, structural-member architecture and global cell architecture. Reduced-order and surrogate models will be investigated where repeated nonlinear simulations make direct optimization computationally prohibitive. Mechanical, geometric and manufacturing constraints, including strength, stability, geometric imperfections and manufacturability, will progressively be incorporated into the design process.
Selected architectures will be manufactured, primarily using additive manufacturing, and experimentally characterized under monotonic and cyclic loading. Experimental results will be used to validate the numerical models and assess recoverable energy, losses, repeatability and robustness.
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. Mechanical energy storage through recoverable elastic deformation offers attractive characteristics including rapid charge-discharge, direct conversion between mechanical work and stored energy, and potentially high durability. Conventional systems, however, generally rely on predefined structural concepts such as springs, leaving limited freedom to tailor how the constituent material is mechanically loaded.
Architected materials provide a fundamentally broader design space in which geometry can be used to control deformation mechanisms and macroscopic mechanical response. Chiral architectures are particularly promising because axial deformation can be coupled with rotation, bending and torsion. Recent work has demonstrated that twist-buckling mechanisms can generate large recoverable elastic energies by combining several deformation modes, while computational approaches have shown that chiral architectures can be generated automatically rather than exclusively through intuition-driven design. Complementary studies further suggest that energy-storage performance can be influenced not only by the global architecture, but also by introducing architecture within the individual load-bearing members.
A major open question is therefore how such structures should be systematically designed for energy storage, rather than selected from predefined topologies. This project addresses this gap by considering the constituent material, structural-member architecture and global cell architecture as coupled design variables. At the system level, this concept ultimately points towards an architected mechanical battery, in which material and structural architecture are jointly designed to store and release mechanical energy through recoverable elastic deformation. The main objective of this PhD project is to develop a systematic computational methodology for the design of architected structures capable of efficiently storing and releasing mechanical energy through recoverable elastic deformation.
The research will address three coupled design dimensions: constituent material, structural-member architecture and global cell architecture. The specific objectives are to:
1. establish performance metrics quantifying recoverable elastic energy and the efficiency with which an architecture exploits the energy-storage capacity of its constituent material;
2. develop parameterized representations enabling the systematic exploration and generation of architected energy-storage structures;
3. identify nonlinear deformation mechanisms and structural-member architectures that enhance energy storage while controlling stresses and structural instabilities;
4. integrate nonlinear mechanical models with numerical optimization strategies to systematically generate and improve candidate architectures;
5. experimentally validate selected designs and assess their robustness, repeatability and cyclic behaviour.
The broader objective is to establish transferable design principles linking material properties, local structural architecture and global nonlinear deformation mechanisms to mechanical energy-storage performance. The project will combine parameterized geometric modelling, nonlinear computational mechanics, numerical optimization, additive manufacturing and experimental mechanics.
Chiral architectures will initially provide reference configurations for developing and validating the methodology. Parameterized representations will be established using physically meaningful geometric, material and structural-member variables, while geometric, mechanical and manufacturing constraints will define the corresponding admissible design spaces. The representation will then be progressively enriched by introducing additional member-level and cell-level design variables and, where relevant, alternative architectural choices.
Geometrically nonlinear finite-element models will be used to predict force-displacement response, stored and recoverable elastic energy, stress and strain distributions, buckling and post-buckling behaviour, and stability limits. A hierarchy of modelling approaches will be employed according to the required accuracy and computational cost. Beam and shell models will support repeated design evaluations, while selected configurations will be verified using detailed three-dimensional solid models and complete or multi-cell structures to capture local effects and collective instability modes.
These mechanical models will be integrated into a computational design loop in which candidate architectures are parametrically generated, mechanically evaluated and iteratively optimized. The design space will progressively address the three coupled design dimensions: constituent material, structural-member architecture and global cell architecture. Reduced-order and surrogate models will be investigated where repeated nonlinear simulations make direct optimization computationally prohibitive. Mechanical, geometric and manufacturing constraints, including strength, stability, geometric imperfections and manufacturability, will progressively be incorporated into the design process.
Selected architectures will be manufactured, primarily using additive manufacturing, and experimentally characterized under monotonic and cyclic loading. Experimental results will be used to validate the numerical models and assess recoverable energy, losses, repeatability and robustness.
Le profil recherché
Le candidat devra disposer de solides connaissances en mécanique numérique non linéaire des solides et des structures, ainsi que d'une expérience en calcul par éléments finis et de bonnes compétences en programmation scientifique.
Un intérêt marqué pour la conception numérique et l'optimisation est attendu. Une expérience en optimisation des structures, en modèles d'ordre réduit ou modèles de substitution, en matériaux architecturés, ainsi qu'en stabilité des structures ou en flambement serait particulièrement appréciée. Le candidat devra être à l'aise à l'interface entre mécanique, méthodes numériques et approches algorithmiques.
Une expérience en fabrication additive et en mécanique expérimentale constituerait un atout, sans être indispensable. Le candidat devra être titulaire d'un Master ou d'un diplôme équivalent en génie mécanique, mécanique numérique ou appliquée, mathématiques appliquées, ou dans un domaine proche. Une bonne maîtrise de l'anglais est requise.
Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/
Un intérêt marqué pour la conception numérique et l'optimisation est attendu. Une expérience en optimisation des structures, en modèles d'ordre réduit ou modèles de substitution, en matériaux architecturés, ainsi qu'en stabilité des structures ou en flambement serait particulièrement appréciée. Le candidat devra être à l'aise à l'interface entre mécanique, méthodes numériques et approches algorithmiques.
Une expérience en fabrication additive et en mécanique expérimentale constituerait un atout, sans être indispensable. Le candidat devra être titulaire d'un Master ou d'un diplôme équivalent en génie mécanique, mécanique numérique ou appliquée, mathématiques appliquées, ou dans un domaine proche. Une bonne maîtrise de l'anglais est requise.
Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/