Inflating to shape : from soft architectured elastomers to patterned fabric sheets
Institution:
Sorbonne universitéDisciplines:
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Abstract EN:
In this thesis at the interface between geometry and mechanics, we aim at developing, studying and programming slender morphing inflatables structures. A first strategy consists in manufacturing elastomeric plates embedding a network of channels, which expand, when inflated, mainly perpendicular to their local orientation, similarly to simple elastic tubes. Playing with both the orientation and density of channels, we control the direction and intensity of the in-plane homogenized ``growth", in general incompatible with a flat geometry. The structure spontaneously buckles and adopts a shape which minimizes its elastic energy. For very thin slender bodies, this reduces to follow the target metric induced by inflation. We then study the inflation of structures made of two superimposed inextensible thin sheets, sealed together along a specific line network. Starting with flat curved ribbons, we observe and rationalize the surprising overcurvature upon inflation by maximizing the inner volume given the inextensibility constraint. We finally extend our investigation to two-dimensional structures and control the in-plane contraction upon inflation, which occurs perpendicular to the seam?s direction. We program the morphing of such stiff inflatable structures and investigate their mechanics.
Abstract FR:
Dans cette thèse à l'interface entre élasticité et géométrie, nous nous attachons à développer, étudier et programmer des structures gonflables élancées qui changent de forme. Une première stratégie consiste à fabriquer des plaques d'élastomère incluant des réseaux de canaux. L’expansion de ces canaux mis sous pression se produit presque exclusivement perpendiculairement à leur direction principale. Le choix de l'orientation et de la densité locales du réseau de canaux permet de contrôler la direction et l'intensité de la pseudo-croissance de cette plaque homogénéisée. Sous pression, la métrique cible de ces objets devient en général incompatible avec l'état plan. La structure flambe alors spontanément pour adopter une forme qui minimise l’énergie élastique, ce qui revient à suivre la métrique imposée par gonflement dans le cas d’objets minces. Une deuxième technique consiste à thermocoller entre elles deux feuilles minces inextensibles selon un réseau de lignes qui définit des canaux gonflables. Le système élémentaire, constitué d'un seul tube formé de deux rubans sinueux joints le long de leurs bords, voit sa courbure amplifiée lors du gonflement. Nous mesurons, expliquons et exploitons cet effet surprenant qui résulte de la maximisation du volume contenu dans le tube sous la contrainte de l'inextensibilité de l'enveloppe. Nous étendons l'étude à des structures bidimensionnelles qui voient la distance entre deux lignes de couture parallèles se contracter lors du gonflement. Le contrôle de la déformation homogénéisée dans le plan permet de programmer le déploiement dans l'espace de surfaces complexes à partir de ces structures initialement planes.