Soutenance de thèse de Théophile Camus

23 mai 2023

Théophile Camus soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 23 mai 2023.

Modélisation des microstructures générées en fabrication additive par procédé LPBF d'un alliage base nickel

Théophile Camus a réalisé sa thèse dans l'équipe 2MS, sous la supervision de Charles-André Gandin, Gildas Guillemot et Oriane Senninger. Il soutient sa thèse de doctorat en spécialité doctorale "Mécanique Numérique et Matériaux" le 23 mai 2023 devant le jury suivant :

– M. Cyril BORDREUIL, Université de Montpellier

– M. Joel ALEXIS, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tarbes

– Mme Salima BOUVIER, Université Technologique de Compiègne

– M. Daniel MAISONNETTE, CETIM

– M. Christophe COLIN, CMAT, Mines Paris – PSL

– M. Charles-André GANDIN, CEMEF, Mines Paris – PSL

– M. Gildas GUILLEMOT, CEMEF, Mines Paris – PSL

– Mme Oriane SENNINGER, CEMEF, Mines Paris – PSL

Résumé :

Le procédé de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) permet de produire des pièces métalliques à géométries complexes et à forte valeur ajoutée. Son principe repose sur la fusion sélective, à l'aide d'un laser, de lits de poudre empilés successivement. Les principales applications de ce procédé de fabrication additive concernent les domaines de l’aéronautique et de l’aérospatiale, pour lesquels des pièces en superalliage à base nickel Inconel 718 sont fréquemment produites. La maîtrise des propriétés mécaniques des pièces issues du procédé LPBF est donc primordiale. Celles-ci dépendent fortement des microstructures générées au cours des solidifications successives se produisant aux différentes couches de fabrication. Elles mêmes sont liées aux conditions thermiques au cours de la solidification, directement influencées par les paramètres de procédés tels que la puissance laser, sa vitesse, ou ses trajectoires sur le lit de poudre. Afin de maîtriser les propriétés mécaniques, il est nécessaire de contrôler le développement des microstructures des pièces fabriquées en travaillant sur les paramètres de fabrication. Dans le cadre de ces travaux de recherche, un modèle thermohydraulique éléments finis du lasage d'un lit de poudre est employé pour décrire le comportement thermique en fonction des paramètres de procédé, et un modèle Automate Cellulaire est utilisé pour la prédiction des structures de grains. Le modèle thermique étant très coûteux en en temps de calculs, une nouvelle méthodologie hybride est développée pour bénéficier du champs de température stationnaire obtenue par simulation multiphysique, sur des fabrications multipasses multicouches. L'avantage est d'atteindre une grande taille du domaine de simulation des microstructures tout en profitant d'une solution numérique complète du procédé à l'échelle du bain de fusion. Appliqués à des paramètres procédé différents, il est possible de mesurer l'influence de chaque paramètre sur les microstructures formées dans des volumes élémentaires représentatifs. Ainsi, la compréhension de la formation des microstructures en LPBF est améliorée grâce à ces modèles.

Mots-clés : Microstructures, Modélisation, Fabrication additive, Fusion laser sur lit de poudre, Solidification, Inconel 718

Structure de grains obtenue par modélisation Automate Cellulaire du procédé LPBF dans un volume élémentaire représentatif

Soutenance de thèse d’Aakash Patil

1 février 2023

Aakash Patil soutient sa thèse de doctorat en Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données le 1 février 2023

Modélisation de la turbulence dans les fluides assistée par l'apprentissage profond

Aakash Patil a réalisé sa thèse sous la direction d'Elie Hachem et Jonathan Viquerat de l'équipe CFL. Il soutient sa thèse de doctorat en Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données le 1er février 2023 devant le jury suivant :

Gianluigi Rozza, SISSA, Trieste, Italie

Paola Cinnela, Sorbonne Université

Ricardo Vinuesa, KTH Stockholm, Suède

Elie Hachem, Mines Paris – PSL

Jonathan Viquerat, Mines Paris – PSL

Résumé :

Malgré plusieurs avancées dans les ressources expérimentales et informatiques, et malgré les progrès des procédures théoriques et mathématiques pour aborder la fermeture des équations de Navier-Stokes, la turbulence reste un problème non résolu même après 200 ans de recherche continue. D'autre part, l'intelligence artificielle et les technologies connexes font des progrès rapides dans plusieurs domaines de la science et de l'ingénierie, nous aidant à résoudre efficacement les problèmes de modélisation et à découvrir de nouveaux phénomènes physiques. Le présent travail tente de combiner ces deux branches et d'explorer si les machines computationnelles peuvent être utilisées pour étudier efficacement la turbulence dans les fluides, et peut-être un jour nous aider dans la découverte des lois universelles manquantes. L'apprentissage profond est utilisé pour apprendre la modélisation de la turbulence et une méthode basée sur les patchs est proposée pour un apprentissage robuste. L'apprentissage de la turbulence à l'échelle de la sous-grille à partir des grandes échelles résolues est démontré, de même que l'étude de l'effet des méthodes de raffinage grossier et des raffinements successifs. L'apprentissage spatio-temporel des flux turbulents est proposé pour apprendre les instantanés temporels et des simulations a posteriori sont effectuées.

Mots-clés : Turbulence, Apprentissage, Modélisation

Soutenance de thèse de Ghaniyya Medghoul

16 janvier 2023

Ghaniyya Medghoul soutient sa thèse de doctorat en Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données le 16 janvier 2023

Estimation d'erreur a posteriori et contrôle adaptatif des solveurs itératifs en éléments finis avec adaptation de maillage: application au processus de trempe

Ghaniyya Medghoul a réalisé sa thèse sous la direction d'Elie Hachem et Aurélien Larcher de l'équipe CFL. Elle soutient sa thèse de doctorat en Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données le 16 janvier 2023 devant le jury suivant :

– Nissrine Akkari, SafranTech, rapporteur

– Joan Baiges, Université Polytechnique de Catalogne, Espagne, rapporteur

– Alvaro Coutinho, Université Fédérale de Rio de Janeiro, Brésil, rapporteur

– Aurélien Larcher, CEMEF Mines Paris – PSL

– Elie Hachem, CEMEF Mines Paris – PSL

Résumé :

La trempe est un processus de traitement thermique utilisé afin de modifier les propriétés mécaniques des pièces métalliques forgées, moulées ou encore soudées. L'idée consiste à chauffer une pièce pour modifier sa microstructure , ainsi que certaines de ses propriétés, telles que la dureté, la résistance et la ténacité. La pièce est ensuite refroidie dans un milieu (eau, huile, solution à base de polymère ou air) propre au matériau ainsi qu'aux propriétés attendues.

Aujourd'hui avec l'amélioration des puissances de calcul, la simulation numérique de ce processus devient un outil indispensable afin de prédire les phénomènes physiques caractérisants ce processus tel que la température et la vitesse de refroidissement. En effet ces derniers sont des facteurs essentiels dans la détermination des propriétés finales du matériau. La simulation numérique s’avère ainsi être un excellent outil pour comprendre et optimiser ces résultats.

Néanmoins, la simulation de tels phénomènes pose des difficultés scientifiques puisque la résolution implique des temps de calcul très conséquents malgré l'utilisation de ressources informatiques importantes.

Cette thèse s'intéresse à la résolution de problèmes complexes couplant écoulements et transferts thermiques. L'objectif est de fournir un critère d'arrêt adaptatif général pour chaque solveur itératif utilisé afin de réduire le nombre d'itérations et le temps de calcul. Ces critères sont basés sur les estimateurs d'erreurs a posteriori calculés au niveau des arêtes du maillage en utilisant des procédures de reconstruction. Les estimateurs, quant à eux, sont initialement utilisés dans le processus d'adaptation de maillage anisotrope pour raffiner le maillage localement au niveau des quantités d'intérêt. Ils permettent de mesurer la qualité de la solution numérique approchée en donnant des bornes supérieurs entièrement calculables sur l'erreur entre la solution exact et la solution approchée.

Nos tests numériques mettent en évidence, d'un part, la précision des estimateurs utilisés et, d'autre part, la réduction en terme d'itérations et coût de calcul, ce qui témoigne des performances de la méthode adaptative proposée. Enfin, le cadre numérique a été validé par des confrontations aux résultats expérimentaux fournis par nos partenaires industriels.

Mots-clés : Estimation d'erreur a posteriori, critère d'arrêt, Modélisation CFD, Adaptation de maillage anisotrope, opérateurs d'interpolations, éléments-finis stabilisés

Soutenance de HDR de Romain Castellani

11 janvier 2023

Romain Castellani soutient son Habilitation à Diriger des Recherches le 11 janvier 2023

Rhéologie et physique des fluides dans les procédés de mise en forme de composites et les suspensions

Romain Castellani est ingénieur de recherche dans l'équipe CFL. Il soutient son Habilitation à Diriger les Recherches le 11 janvier 2023 au CEMEF.

Romain présentera ses travaux sur la "Rhéologie et physique des fluides dans les procédés de mise en forme de composites et les suspensions" devant le jury suivant :

– MAJESTE Jean-Charles, Université Jean Monnet St Etienne, rapporteur

– FULCHIRON René, Université Claude Bernard Lyon 1, rapporteur

– VILLE Julien, Université de Bretagne Occidentale, rapporteur

– BERZIN Françoise, Université de Reims

– EL KISSI Nadia, Université Grenoble Alpes

– LEMAIRE Elisabeth, Université Côte d’Azur, invitée

– VERGNES Bruno, Mines Paris – PSL, invité

– POULESQUEN Arnaud, CEA Marcoule, invité

– MARCHAL Philippe, Université de Lorraine, invité

Soutenance de thèse d’Emile Hazemann

19 décembre 2022

Emile Hazemann soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 19 décembre 22.

Etude d'apparition de grains recristallisés dans les superalliages base nickel monocristallins pour application aux aubes de turbine

Emile Hazemann a réalisé sa thèse sous la direction de Charles-André Gandin, Michel Bellet et Yancheng Zhang (équipe 2MS) et de Karim Inal (équipe PSF). Il soutient sa thèse de doctorat en spécialité doctorale "Mécanique Numérique et Matériaux" le 19 décembre 2022 devant le jury suivant :

– M. Jonathan CORMIER, Institut P' CNRS-Université de Poitiers-ISAE ENSMA

– M. Carl LABERGERE, Université de Technologie de Troyes

– Mme Virginie JAQUET, Safran Aircraft Engines

– M. Roland FORTUNIER, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint Etienne

– Mr Charles-André Gandin, CEMEF Mines Paris – PSL

– Mr Michel Bellet, CEMEF Mines Paris – PSL

– Mr Karim Inal, CEMEF Mines Paris – PSL

– Mr Yancheng Zhang, CEMEF Mines Paris – PSL

Résumé :

Dans les travaux présentés, on s’intéresse à formation de grains recristallisés dans les aubes de turbine monocristallines en superalliage base nickel. La présence de ces grains, fortement désorientés par rapport à la matrice monocristalline, est rédhibitoire car elle diminue de manière drastique les propriétés mécaniques de la pièce. La germination de ces grains résulte d’une part de l’introduction d’une déformation de la matière, lors de sa solidification et de son refroidissement dans le moule de coulée et d’autre part, du traitement thermique subséquent. Afin de prédire la germination et la croissance de grains recristallisés dans une aube, il est fondamental d’identifier 1) le comportement mécanique de l’alliage pendant son refroidissement lors de l’étape de coulée et 2) un critère de recristallisation à partir de l’état mécanique de la matière. Les travaux de thèse s’articulent autour de ces deux axes, spécifiquement pour le cas du CMSX-4, superalliage base nickel de deuxième génération. Dans le premier axe de recherche, on identifie le comportement du CMSX-4 brut de fonderie avec une loi élastoviscoplastique phénoménologique à partir d’essais de traction-relaxation et de simulations par la méthode des éléments finis. Le modèle identifié intègre l’anisotropie du monocristal, pour la gamme de températures et les vitesses de déformations caractéristiques du procédé de fonderie. Les paramètres de la loi de comportement sont identifiés par analyse inverse, à partir d’essais de traction-relaxation à trois cycles, pour une température de consigne constante, sur des éprouvettes monocristallines en CMSX-4 dont la direction de traction est alignée aux directions cristallographiques <001>, <110> et <111>. Les essais sont réalisés sur un équipement de traction à chauffage résistif, en utilisant une instrumentation sans contact (pyromètre bichromatique et corrélation d’images). Dans le deuxième axe de recherche, on s’intéresse à reproduire les chargements thermomécaniques de zones critiques vis-à-vis de la recristallisation dans une aube pendant la solidification et le refroidissement. Ces chemins sont reproduits via des essais de traction à différentes rampes de chargement et une vitesse de refroidissement constante, pour différentes orientations d’éprouvettes brutes de fonderie. Les éprouvettes subissent ensuite un traitement thermique d’homogénéisation standard pour révéler ou non la présence de grains recristallisés. Les chemins thermomécaniques anisothermes sont ensuite modélisés avec le comportement identifié dans le premier axe de recherche, dans le but d’identifier un critère de recristallisation.

Mots-clés : Recristallisation, Comportement mécanique, Alliage base Nickel, Microstructure, CMSX-4, Modélisation

Microstructure recristallisée après sollicitation en traction d'une éprouvette monocristalline en CMSX-4 à environ 1290°C et d'un traitement thermique d'homogénéisation à 1300°C pendant 19h.

Soutenance de thèse de Sacha El Aouad

9 décembre 2022

Sacha El Aouad soutient sa thèse de doctorat en Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données le 9 décembre 22.

Modélisation numérique et parallèle d'un maillage ajusté anisotrope pour l'application de trempe industrielle.

Sacha El Aouad a réalisé sa thèse dans l'équipe CFL sous la supervision d'Elie Hachem et Aurélien Larcher. Elle soutient sa thèse de doctorat en spécialité "Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données" le 9 décembre 22 devant le jury suivant :

– Suzanne Michelle Shontz, Université du Kansas

– Joan Baiges, Université polytechnique de Catalogne

– Johan Hoffman, KTH, Royal Institute of Technology, Suède

– Giulia Lissoni, SCC Consultants

– Elie Hachem, Mines Paris – PSL, CEMEF

– Aurélien Larcher, Mines Paris – PSL, CEMEF

Résumé :

Le développement de méthodes efficaces pour simuler des systèmes multi-composants fait partie des défis d'ingénierie et reste un besoin pour les industriels, notamment dans le cas de l'interaction fluide-structure ou du transfert de chaleur conjugué. Le processus de trempe s'inscrit dans ce cadre puisqu'il a un impact direct sur la modification des propriétés mécaniques et physiques des pièces industrielles. De nombreuses formulations numériques de ce processus ont été développées, mais une grande imprécision subsiste, notamment en raison des hypothèses faites sur l'utilisation de géométries simples et d'environnements de trempe approximatifs. Pour le processus de trempe, plusieurs types de géométries de complexités différentes sont étudiés et analysés. Par conséquent, la génération de maillages pour des géométries aussi complexes reste un défi. En améliorant les méthodes pour la multi-physique, en particulier les couplages fluide-thermique et fluide-solide, le cadre mathématique global de cette thèse permettra de relever ce défi.

Dans ce travail, la méthode des volumes immergés est étendue : une nouvelle méthode de maillage adaptatif anisotrope adaptée à la géométrie est proposée. Sa simplicité et sa généralité lui permettent d'aborder des géométries complexes, et sa robustesse permet de traiter des problèmes physiques complexes. Deux itérations successives sont combinées : tout d'abord, la construction d'une métrique basée sur le gradient utilise les gradients de la fonction level-set de l'objet immergé pour générer un maillage anisotrope bien adapté. Elle est suivie d'une adaptation géométrique utilisant la R-adaptation et la permutation afin de créer un maillage ajusté net. Cette nouvelle approche permet d'atteindre la résolution géométrique locale souhaitée d'un maillage adapté au corps et d'obtenir la précision numérique nécessaire à l'interface grâce aux éléments anisotropes non structurés.

La nouvelle approche permettra de résoudre les interactions fluide-solide et les problèmes de CFD, y compris les solutions de couche limite, de courbure et de gradient élevé, couvrant les applications parallèles 2D et 3D, et les problèmes pratiques du monde réel.

Mots-clés : Méthodes d'immersion, Adaptation anisotrope, Modélisation Numérique, Maillage Conforme, Fonction Level-set, CFD