Soutenance de thèse de Benoît Wittmann

13 décembre 2020

Benoît Wittmann soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 17 décembre 2020

Matériaux et procédés de la micro- et macro- texturation de surface de revêtements de sols: propriétés optiques et tribologiques

Benoît Wittmann a réalisé sa thèse dans l'équipe PSP sous la direction de Pierre Montmitonnet, dans le cadre d'un projet CIFRE avec l'entreprise Tarkett.

Il soutiendra sa thèse devant le jury suivant :

– M.C. Gaël OBEIN (CNAM, Saint-Denis) : rapporteur

– Pr.U. Marie-Ange BUENO (Univ. de Haute Alsace-ENSISA, Mulhouse) : rapporteur

– D.R. Marie-Christine BAIETTO (INSA Lyon-Lamcos, Villeurbanne) : examinateur

– Pr. Christian GAUTHIER (Univ. de Strasbourg, Strasbourg) : examinateur

– Ing. Alain CASOLI (Tarkett Z.A. Salzbaach, Wiltz, Luxembourg) : examinateur

– C.R. Alain BURR (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : invité

– Pr. Jean-François AGASSANT (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : invité

Résumé de sa thèse :

L’aspect visuel des produits est une problématique fondamentale dans l’industrie du revêtement de sol. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons tout particulièrement à la brillance et à son évolution temporelle avec l’usure. Tout d’abord, un modèle de BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) reposant sur le principe des microfacettes est développé. La nouveauté de ce travail est de calculer la BRDF directement via une mesure de la topographie de l’échantillon. Dans un second temps, nous étudions la résistance à la rayure des matériaux, mode majeur de dégradation de l’aspect. Une méthode combinant la vision in situ du contact indenteur/matériau, la caractérisation par tomographie des fissures créées, et des simulations numériques par éléments finis, permet d’analyser finement les différents phénomènes observés expérimentalement. Nous avons également examiné l’influence de l’échelle de sollicitation sur la façon dont est déformée la structure (vernis sur substrat). Puis, la visibilité des rayures suivant les régimes de déformation/rupture observés est étudiée en appliquant notre modèle de BRDF aux sillons résiduels formés. Enfin, nous proposons différentes stratégies d’optimisation du matériau en étudiant l’influence de la rhéologie du substrat, de celle du vernis, et de son épaisseur.

Mots-clés : Polymères, brillance, BRDF, tribologie, rayure, tomographie, éléments finis

Soutenance de thèse de David Ruiz

4 décembre 2020

David Ruiz Sarrazolo soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 7 décembre 2020

"Modélisation à champ complet de recristallisation dynamique discontinue dans un contexte CPFEM"

David Ruiz Sarrazola a réalisé son travail de thèse dans le cadre de la chaire ANR Industrielle DIGIMU, sous la direction de Marc Bernacki.

Il soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 7 décembre 2020 devant le jury composé de :

– Pr. Laurent DELANNAY (Univ. Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgique) : rapporteur

– Pr. Lukasz MADEJ (AGH Univ. of Science and Tech., Krakow, Pologne) : rapporteur

– Assoc. Prof. Roland LOGÉ (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Suisse) : examinateur

– Pr. Javier SIGNORELLI (Inst. de Fisica Rosario, Santa Fé, Argentine) : examinateur

– Privat Dozen Franz ROTERS (Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf, Allemagne) : examinateur

– M.R. Daniel PINO MUÑOZ (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : examinateur

– C.R. Aurore MONTOUCHET (Framatome Creusot, Le Creusot) : examinateur

Résumé de sa thèse :

La recristallisation dynamique (DRX) est l'un des principaux phénomènes métallurgiques responsable de l'évolution de la microstructure des matériaux métalliques survenant lors de leur mise en forme à chaud. Comprendre et prévoir ce phénomène physique est d'une importance primordiale car la microstructure résultante est en général directement responsable des propriétés finales du matériau. Ainsi, de nombreux modèles phénoménologiques (de type JMAK par exemple) visant à décrire la DRX ont été développés dans l'état de l'art. Cependant, en raison de la complexité des mécanismes impliqués et de leurs interactions, les modèles phénoménologiques ou de champ moyen ne sont pas en mesure de rendre pleinement compte de l'évolution locale de la microstructure et des approches de type champ complet sont nécessaires. La plupart des modèles DRX en champ complet ont des limites dans leur capacité à modéliser une déformation élevée (ce qui les rend en général inutilisable pour des chemins thermomécaniques industriels) et dans la description de la déformation plastique (souvent très simplifié).

Dans cette thèse, un nouveau modèle à champ complet pour la recristallisation dynamique discontinue (DDRX) est proposé en couplant une méthode éléments finis de plasticité cristalline (CPFEM) avec un cadre élément finis – level set (LS-FE) pour décrire le mouvement des joints de grains. Le modèle proposé prend en compte la déformation plastique anisotrope et son impact sur le mouvement des joints de grains. Combiné à une méthodologie de remaillage, le cadre numérique proposé est capable de décrire la DDRX jusqu'à des niveaux de déformation très importants. Le modèle est calibré et comparé aux mesures expérimentales de l'acier 304L. De plus, l'intérêt de cette stratégie (ratio précision / coût numérique) est également discuté comparativement à une approche simplifie (approximation CP Taylor). Tous ces développements sont réalisés dans un module CPFEM générique facilement utilisable dans n'importe quel code EF.

Mots-clés : Recristallisation Dynamique, Modèle en champ complet, Plasticité Cristalline, Level-set, Méthode des éléments finis, Acier 304L.

Soutenance de thèse de Sebastian Florez

30 novembre 2020

Sebastian Florez soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 30 novembre 2020

Avancées pour la modélisation efficace de problèmes massivement multi-domaines avec applications aux évolutions de microstructures

Sebastian Florez soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux. Il l'a réalisée dans l'équipe MSR sous la supervision de Marc Bernacki. Il présente ses travaux devant le jury suivant :

– Pr. Julien BRUCHON (Ecole Nat. Sup. des Mines de St Etienne-Centre Sciences des Mat. et des Struc./Dept Méca. et Procédés d'Elaboration, St Etienne) : rapporteur

– Pr.O. Jean-François REMACLE (Ecole Polytechnique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgique) : rapporteur

– M.A. Modesar SHAKOOR (Inst. Mines-Telecom, Lille Douai, Douai) : examinateur

– C.R. Hugues DIGONNET (Inst. de calcul Intensif-Ecole Centrale de Nantes, Nantes) : examinateur

– Assoc. Prof.Luis BARRALES-MORA (George W. Woodruff School of Mech.Eng. Georgia Tech Lorraine, Metz) : examinateur

– I.R. Joëlle DEMURGER (ASCOMETAL France Holding SAS-CREAS, Hagondange) : examinateur

– I.R. Pascal DE MICHELI (Transvalor SA, Biot) : invité

– I.R. Thomas TOULORGE (CENAERO, Gosselies, Belgique) : invité

Résumé de sa thèse :

Les industries stratégiques ont un besoin toujours plus croissant dans l’utilisation des matériaux métalliques. Il y ainsi aujourd’hui une demande forte dans le fait d’être capable de prédire l’évolution des microstructures de ces matériaux lors de leur mise en forme car leurs caractéristiques microstructurales sont intrinsèquement liées à leurs propriétés en service.

Dans ce contexte de problèmes massivement multi-domaines, de nombreuses méthodes dites à champ complet et qui décrivent les réseaux de joints de grains à l’échelle de la microstructure ont été développées ces quarante dernières années. Dans un contexte de grandes à très grandes déformations comme c’est le cas pour les procédés industriels de mise en forme à chaud, l’approche level-set (LS) couplée à une formulation éléments finis (EF) et des méthodes de remaillage reste l’approche la plus générique et la plus efficace.

Si des améliorations récentes ont été rapportées (logiciel DIGIMU par exemple), la principale faiblesse de cette approche reste son coût numérique qui limite le nombre de grains considérés dans les simulations et implique des temps de calculs importants, principalement en 3D.

Dans ces travaux, les performances réelles de l’approche LS-FE sont étudiées et une alternative, dénommée ToRealMotion, capable de réaliser des simulations massivement multi-domaines en 2D, est introduite. Cette nouvelle approche, appartenant à la famille des méthodes de type « suivi de front », inclut différentes innovations et a été parallélisée. Les propriétés géométriques des interfaces intervenant dans le calcul des cinétiques sont évaluées uniquement aux interfaces et la migration du réseau de joints de grains est réalisée en lagrangien tout en conservant un maillage EF conforme et global (sous-entendant que le coeur des grains est également maillé). Cette méthodologie permet ainsi une meilleure adaptabilitée aux mécanismes intragranulaires que les approches de type « suivi de front » classiques. Bien sur, une des ambitions principales de ce travail réside dans l’amélioration des performances numériques de l’état de l’art tout en conservant la précision et le côté générique (multi-mécanismes) de l’approche LS-FE en grandes déformations. Ainsi, de nombreux cas tests 2D en croissance de grains (GG) et recristallisation (ReX) sont réalisés pour prouver l’efficacité de la méthode. Les résultats s’illustrent par une réduction importante des temps de calcul et offrent d’importantes perspectives dans le contexte de la métallurgie numérique.

Mot-clés : Eléments Finis, Modèles Lagrangiens, Maillage des interfaces, Level-set, Simulations multidomaines.

Soutenance de thèse de Shitij Arora

16 novembre 2020

Shitij Arora soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 24 novembre 2020 sous réserve de l'accord des rapporteurs.

Son sujet : "Formulation stationnaire des procédés de mise en forme des métaux: gestion du contact et de l'élastoplasticité".

Shitij Arora a fait sa thèse sous la supervision de Lionel Fourment, décédé des suites d'une longue maladie en novembre 2019. Il la termine sous l'encadrement de Pierre Montmitonnet.

Il soutient sa thèse de doctorant en Mécanique Numérique et Matériaux le 24 novembre 2020 devant le jury composé de :

– D.R. Pierre MONTMITONNET, Directeur de thèse

– Pr. Bert GEIJSELAERS Bert (Twente Univ. Drienerlolaan, Enschede, Pays-Bas) : rapporteur

– Pr. Emmanuelle ROUHAUD (Troyes Univ. of Tech., Troyes) : rapporteur

– Pr. Jean-Philipe PONTHOT (Liege University, Liège, Belgique) : examinateur

– M.R. Katia MOCELLIN (MINES ParisTech-CEMEF, Sophia Antipolis) : examinateur

– Ing. Ugo RIPERT (Transvalor, Biot) : invité

– Ing. Antoine COURTOUX (Arcelor Mittal) : invité

Résumé de son travail de thèse :

La formulation Fg3stat existante a été proposée pour la résolution des procédés de mise en forme à chaud en régime permanent avec des matériaux viscoplastiques. La formulation comprend un problème multi-champs fortement couplé et résolu avec une méthode itérative à point-fixé. L’algorithme itératif comporte deux étapes principales: (i) un solveur thermomécanique calcule d’abord les champs inconnus vitesse / pression / température sur un volume de contrôle (ii) un solveur à surface libre calcule ensuite l’inconnu forme stationnaire. Le Fg3stat, avec des maillages non structurés basés sur des éléments tétraédriques et une parallélisation avec partitionnement de domaine, s’avère au moins 50 fois plus rapide que l’approche incrémentale pour résoudre ces procédés. Cependant, la formulation n’est pas suffisamment robuste pour trouver une solution stable, en particulier avec des géométries complexes. Le travail présenté dans ce manuscrit est axé sur l’amélioration de la formulation en régime permanent avec deux objectifs principaux. Premièrement, un couplage de contact cohérent est prévu pour une solution stable, et est obtenu avec une approche condensation nodale. Les conditions de contact cohérentes Explicit et Implicit sont dérivées et le nouvel couplage de contact est testé avec des cas tests de laminage à chaud industriels complexes. Deuxièmement, la formulation originale Fg3stat était principalement axée uniquement sur les problèmes de mise en forme à chaud avec des modèles de matériaux viscoplastiques qui ne prennent pas en compte les effets d’élasticité. Ces effets deviennent importants en froid et ne peuvent être ignorés. Une approche pseudo-time-step permet de modéliser le temps dans la formulation indépendante du temps et est facilement adaptable à l’algorithme itératif Fg3stat existant. Bien qu’à l’origine, cette approche utilisait des maillages structurés pour suivre les lignes de courant, un nouveau cadre est développé pour tracer les lignes de courant dans les maillages non structurées et pour intégrer s variables d’état pour résoudre le problème dépendant de l’historique. À chaque itération, les variables d’état doivent être transportées des lignes de courant vers le maillage et vice-versa, qui est généralement diffusif. Pour limiter la diffusion, des outils comme la méthode SPR pour le lissage de champ et l’interpolation P1+ sont invoqués. L’algorithme Fg3stat mis à jour est testé avec différents problèmes de laminage à froid. Les résultats des simulations de laminage à chaud et à froid avec l’algorithme proposé sont validés avec la solution incrémentale (dépendante du temps) du même problème dans Fg3inc.

Mots-clés : modélisation stationnaire, formulation de contact, formulation multi-champs, laminage à froid

Soutenance de thèse de Luiz Pereira

9 novembre 2020

Luiz Pereira soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 12 novembre 2020 sous réserve de l'accord des rapporteurs.

Sa thèse porte sur les mécanismes de formation de bulles d'oxygène dans un bain de verre fondu dans le contexte de la vitrification des déchets nucléaires.

Ce travail de recherche a été réalisé sous la supervision de Franck Pigeonneau dans l'équipe CFL, dans le cadre d'un projet avec le CEA.

Résumé de son travail de thèse :

Ce travail est réalisé dans le cadre de la vitrification des déchets nucléaires et est focalisé sur la production de gaz formé lors du processus de vitrification à haute température. Nous nous concentrons sur l'oxygène moléculaire produit par des réactions d’oxydo-réduction d'éléments multivalents. En effet, ces éléments sont présents dans plusieurs domaines naturels et industriels. Ce travail vise à comprendre, fondamentalement, les mécanismes de formation et de croissance des bulles d'oxygène et comment ceux-ci sont liés aux réactions d’oxydo-réductions se déroulant dans ce contexte. Nous avons choisi un système de verre nucléaire simplifié composé d'un verre borosilicaté dopé avec l'oxyde de cérium. Pour étayer notre compréhension de la formation et de la croissance

des bulles, nous avons caractérisé le système simplifié en termes de propriétés physiques et thermochimiques.

Nous avons tout d’abord étudié le transfert de masse entre une bulle d'oxygène et la fonte verrière avec différentes teneurs en cérium et différentes fugacités en oxygène. Cette étude a été menée à la fois par des moyens expérimentaux et numériques. Les résultats confirment que la réaction d’oxydo-réductions du cérium augmente de façon significative le transfert de masse pour les milieux réduits et à forte teneur en oxyde de cérium. Un modèle théorique considérant les réactions d’oxydo-réductions comme instantanées et une diffusion dominée par celle de l'oxygène permet globalement de retrouver les résultats expérimentaux.

Nous avons ensuite étendu le système à une population de bulles. Cette partie a également été abordée par des moyens expérimentaux et numériques. En faisant fondre un milieu granulaire, constitué de grains de verre, la nucléation des bulles est principalement liée à l'emprisonnement de l'air. En considérant que la dynamique des bulles est pilotée par leurs temps de résidence dans le creuset, le comportement des bulles à différentes températures se révèle équivalent. Un modèle numérique basé sur le simple transfert de masse ne permet pas d'estimer le comportement des bulles, ainsi la coalescence des bulles devrait être prise en compte.

Enfin, nous proposons une nouvelle méthode in-situ pour déterminer la fraction volumique des bulles. Nous avons démontré la viabilité théorique et technique de cette nouvelle méthode en utilisant d'autres approches robustes de la littérature.

Luiz Pereira a obtenu le 3ème Prix Pierre Laffitte en 2019 pour ses travaux de thèse.

Mots-clés : fonte de verre d’oxyde, bulles, réaction d’oxydo-réduction, méthode expérimentale, méthode numérique

A gauche : groupe de bulles dans du verre borosilicate fondu à 1200°C, image de caméra in-situ
A droite, groupe de bulles dans du verre borosilicate fondu à 1050°C, microscopie optique