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

Soutenance de thèse de Yijian Wu

13 décembre 2022

Développements et applications d’une méthode numérique multi-échelle couplant les modèles d’automate cellulaire et de réseau d’aiguilles paraboliques pour la prédiction des structures de grains dendritiques

Yijian Wu a réalisé sa thèse dans l'équipe 2MS sous la supervision de Charles-André Gandin et Oriane Senninger. Il soutient sa thèse de doctorat en spécialité "Mécanique Numérique et Matériaux" le 13 décepbre 22 devant le jury suivant :

– Mr Henri Nguyen-Thi, Aix-Marseille Université, Rapporteur

– Mme Olga Budenkova, SIMaP, rapporteure

– Mr Mathis Plapp, Ecole Polytechnique, Laboratoire de Physique de la Matière Condensée

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

– Mme Oriane Senninger, CEMEF Mines Paris – PSL

Résumé :

Les méthodes numériques de modélisation des microstructures formées lors de la solidification présentent un grand intérêt pour la recherche et les industries. La méthode Cellular Automaton – Parabolic Thick Needle (CAPTN) est une méthode numérique multi-échelle, qui couple la méthode automate cellulaire (CA) et la méthode Parabolic Thick Needle (PTN), pour simuler la croissance des grains dendritiques tout en tenant compte du champ de diffusion non stationnaire. Une branche dendritique est modélisée comme un cylindre dirigé par une pointe parabolique. Sa cinétique est calculée à l'aide de la méthode PTN basés sur le champ de composition dans le liquide au voisinage de la parabole. Cette branche dendritique participe à la définition d'une enveloppe de grain par son intégration dans un algorithme de croissance CA.

Cette thèse présente des avancées et des optimisations sur la méthode CAPTN. Au début de la thèse, la méthode CAPTN n’était implémentée qu’en deux dimensions et n’était pas efficace numériquement. Une stratégie de maillage hétérogène adaptatif et la méthode de requête orthogonale avec la structure octree sont donc employées sur l’implémentation d’éléments finis de la méthode PTN pour augmenter l'efficacité de calcul. L’implémentation tridimensionnelle de la méthode PTN est réalisée et évaluée à travers les analyses de convergence des résultats de simulation vers des solutions théoriques en fonction de paramètres numériques. Les algorithmes de la méthode PTN et du couplage CAPTN sont aussi améliorés. Le modèle CAPTN tridimensionnel optimisé est évalué en modélisant un grain équiaxe croissant dans un domaine à une sursaturation constante. La cinétique obtenue par le modèle CAPTN est en bon accord avec la cinétique obtenue par le modèle Phase-Field (PF) et le modèle Dendritic Needle Network (DNN). Le modèle CAPTN bidimensionnel optimisé est évalué sur sa capacité à reproduire l'espacement des bras dendritiques primaires et l'angle d'orientation des joints de grains entre deux grains d'orientations différentes, développés dans la croissance directionnelle avec un gradient de la température constant et une vitesse isotherme constante. Il est montré que le modèle CAPTN peut reproduire la sélection de grains entre les branches primaires et la création de nouvelles branches à partir des branches tertiaires tant que la taille des cellules est suffisamment petite pour modéliser les interactions de soluté entre les branches. Dans ces conditions, les simulations convergent vers une distribution des branches primaires qui dépend de l'histoire des branches dendritiques, en accord avec les résultats expérimentaux et la théorie. Contrairement au modèle CA classique, l'angle d'orientation des joints de grains obtenu dans les simulations CAPTN est stable avec la taille des cellules et en bon accord avec les études PF précédentes pour différents gradients de la température.

Mots-clés : solidification, modélisation, multi-échelle, automate cellulaire, réseau d’aiguilles paraboliques, microstructure dendritique

Front de solidification de la CAPTN simulation du bi-cristal, présenté par (a) réseau d'aiguilles, (b) champ de composition dans le maillage d'éléments finis de PTN, et (c) cellules d'automate

Soutenance de thèse de Victor Grand

5 décembre 2022

Victor Grand soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 5 décembre 22.

Caractérisation et modélisation de la recristallisation du zircaloy-4 lors de la mise en forme à chaud

Victor Grand a réalisé sa thèse sour la direction de Marc Bernacki, équipe MSR. Il soutient sa thèse de doctorat en spécialité "Mécanique Numérique et Matériaux" le 5 décembre 22 devant le jury suivant :

M. Lukasz MADEJ, AGH University of Science and Technology, Rapporteur

M. Javier SIGNORELLI, Instituto de Fisica Rosario, Rapporteur

M. Frank MONTHEILLET, Mines de Saint-Étienne, Examinateur

M. Pierre BARBERIS, Framatome, CRC, Examinateur

M. Alexis GAILLAC, Framatome, CRC, Examinateur

Mme Nathalie BOZZOLO, CEMEF, Mines Paris, Université PSL, Examinateur

M. Baptiste FLIPON, CEMEF, Mines Paris, Université PSL, Examinateur

M. Marc BERNACKI, CEMEF, Mines Paris, Université PSL

Résumé :

Du fait de leur faible section de capture neutronique et de leurs propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion, les alliages de zirconium sont utilisés dans l'industrie nucléaire depuis de nombreuses décennies. Les procédés de fabrication utilisés sont complexes et comprennent plusieurs étapes de déformation et de traitement thermique. Chacune des étapes de transformation doit remplir deux objectifs : converger vers la géométrie finale des produits en assurant l'absence de défauts et fournir aux produits une microstructure capable de résister aux sollicitations auxquelles l’assemblage de combustible est soumis tout au long de sa vie dans le réacteur. Par conséquent, et afin de répondre aux exigences de sûreté élevées du domaine nucléaire, il est nécessaire de connaître et maîtriser les évolutions de microstructure lors de la mise en forme et des traitements thermiques. Par ailleurs, le développement d’outils numériques fiables à l’échelle de la microstructure est donc d’un intérêt crucial.

Dans cet objectif, un grand nombre de microstructures déformées à chaud ont été caractérisées par EBSD afin de déterminer l'influence des conditions thermomécaniques et de la microstructure initiale sur les évolutions microstructurales du zircaloy-4. Ces données ont ensuite été confrontées aux résultats obtenus à l'aide de simulations en champ complet à l’échelle mésoscopique. Plus précisément, une approche de type Level-Set, intégrée dans un environnement éléments finis, et enrichie sur la base du modèle de Gourdet-Montheillet, a été validée. Cette implémentation permet de reproduire des mécanismes de recristallisation continue en régimes dynamique et post-dynamique et améliore donc la capacité de prédiction des modèles dans le cas de la recristallisation du zircaloy-4. Les résultats, expérimentaux et numériques ont permis de quantifier l'influence de la microstructure initiale mais également de discriminer les caractéristiques de la microstructure qui conditionnent les évolutions observées. Les limitations actuelles de l'approche ont également été discutées.

Mots-clés : Recristallisation, Déformation à chaud, Alliages de zirconium

Simulation de la recristallisation post-dynamique du Zircaloy-4. La pression motrice induite par la différence d'énergie stockée lors de la déformation est calculée localement, afin de considérer les gradients intragranulaires.

Soutenance de thèse de Joe Khalil

22 novembre 2022

Joe Khalil soutient sa thèse de doctorat en Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données le 22 novembre 22.

"Modélisation du couplage fluide solide avec l'analyse et l’optimisation des contraintes résiduelles et thermoelastoplastiques"

Joe Khalil a effectué sa thèse dans l'équipe CFL sous la supervision d'Elie Hachem et d'Elisabeth Massoni. Il soutient sa thèse de doctorat en spécialité "Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données" le 22 novembre 22 devant le jury suivant :

– Mr Julien Bruchon, Mines Saint Etienne, rapporteur

– Mr Chady Ghnatios, Arts et Métiers Paris, rapporteur

– Mme Chantal David, SC&C

– Mr Lukasz Madej, AGH University of Science and Technology, Cracovie, Pologne

Résumé :

La trempe est un processus de refroidissement très important adopté de nos jours par la plupart des industries, en particulier les industries automobile, aérospatiale et nucléaire. L'importance de ce procédé vient de sa capacité à contrôler la microstructure, à avoir de meilleures propriétés thermiques comme la dureté et la limite d'élasticité, et à relâcher les contraintes résiduelles. Néanmoins, il s'agit d'un processus très complexe puisqu'il comprend plusieurs phénomènes physiques à la fois sur le fluide et sur le solide. Au niveau du liquide, du fait du contact direct avec une surface chaude, le liquide va s'évaporer et atteindre le point d'ébullition. Au niveau du solide, il existe des contraintes, des déformations qui modifient la forme de la pièce et des transformations de phase qui génèrent de la chaleur latente. Un modèle d'ébullition d'évaporation est été utilisé pour simuler ce qui se passe dans l'environnement du solide. L'importance de ce modèle vient de sa capacité à donner une description réelle du transfert de chaleur qui se produit entre le solide et le fluide. Le changement de température dans le solide affectera à la fois la transformation de phase et la réponse mécanique de la pièce. Dans ce projet, un modèle hybride est développé pour résoudre à la fois l'ébullition et l'évaporation, les paramètres de transformation de phase et la réponse mécanique. Dans un domaine Fluide-Solide, Navier-Stokes couplé avec l'équation de la chaleur est résolu pour donner une distribution de température dans le solide. Dans un domaine Solide uniquement, les paramètres de transformation de phase ainsi que les contraintes et les déformations, à l'aide d'un solveur thermo-élasto-plastique, sont calculés en fonction de la distribution de température transportée depuis le domaine Fluide-Solide. La nouveauté de ce modèle est sa capacité à travailler sur deux domaines différents simultanément, et à donner une meilleure résolution sur chaque domaine, en plus de sa complétude pour simuler toute la physique se produisant dans le processus de trempe.

Mots-clés : couplage fluide solide, modélisation, contraintes résiduelles, contraintes thermoélastoplastiques

Soutenance de thèse de Laura Montalban

8 novembre 2022

Laura Montalban soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 8 novembre 22

Étude expérimentale de l’usure des élastomères à température élevée : application aux courroies de transmission de puissance

Laura Montalban a réalisé sa thèse dans l’équipe PSF. Elle soutient sa thèse de doctorat en spécialité “Mécanique Numérique et Matériaux” le 8 novembre 2022 devant le jury suivant :

– DELBÉ Karl, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tarbes, Rapporteur

– LE HOUÉROU Vincent, Université de Strasbourg – IUT Robert Schuman Illkirch, Rapporteur

– CHATEAUMINOIS Antoine, ESPCI

– JRIDI Nidhal, Hutchinson, invité

– MONTMITONNET Pierre, Mines Paris – PSL, CEMEF

– LAHOUIJ Imène, Mines Paris – PSL, CEMEF

Résumé :

Les courroies Poly-V sont des éléments flexibles multicouches qui permettent la transmission de puissance entre les arbres rotatifs des entraînements de moteurs automobiles. L’usure du revêtement extérieur des courroies est inévitable car le frottement à l’interface entre la poulie et la courroie est nécessaire à la transmission de la force motrice. L’objectif de cette thèse est de comprendre le comportement tribologique du revêtement élastomère TPV des courroies Poly-V afin d’améliorer leur résistance à l’usure et d’augmenter leur durée de vie. Tout d’abord, le comportement à l’usure des courroies Poly-V a été étudié à l’aide de deux bancs d’essai industriels : des bancs d’essai électrique et diesel. Les expériences ont été réalisées dans différentes conditions de fonctionnement telles que : pression de contact appliquée, vitesse de glissement et glissement (%). La surface abrasée des courroies a également été observée afin d’identifier les mécanismes d’usure dominants et de déterminer leur évolution en fonction des paramètres d’entrée susmentionnés. Ensuite, un tribomètre à haute température a été développé afin d’effectuer des tests d’usure du matériau du revêtement TPV à l’échelle du laboratoire. L’objectif principal était de reproduire la configuration cinématique trouvée sur les bancs d’essai industriels et de contrôler les principaux paramètres d’entrée. En raison de la nature du constituant thermoplastique du revêtement TPV, un modèle analytique permettant de prédire la température de contact à l’interface a également été développé. Un bon accord entre la température de contact mesurée avec la caméra infrarouge et les simulations numériques a été observé. Les résultats suggèrent qu’une augmentation de la pression de contact et de la vitesse de glissement affecte la cinétique d’usure du revêtement TPV. De plus, l’augmentation de la température de contact générée par l’échauffement par friction est préjudiciable à la résistance à l’usure du revêtement TPV. La présence d’une couche non tissée de fibres diminue la friction à l’interface, cependant, elle semble également augmenter la vitesse d’usure du revêtement TPV. L’incorporation d’un substrat avec un module d’élasticité E’ différent affecte la performance d’usure du revêtement TPV. Les résultats précédents indiquent que les propriétés mécaniques (par exemple, la rupture et la fatigue) du revêtement TPV et du substrat jouent un rôle majeur dans le comportement à l’usure des courroies Poly- V. De plus, les images MEB de la surface après usure ont montré deux mécanismes caractéristiques de l’usure par abrasion (arrachement de la fibre – détachement du constituant thermoplastique de la couche non-tissée et apparition de rides d’usure). Les tendances et mécanismes d’usure obtenus avec le tribomètre haute température sont similaires à ceux rapportés sur les bancs industriels. L’approche présentée dans ce travail fournit une base pour le développement de futures formulations de matériaux qui pourraient améliorer la performance d’usure du revêtement des courroies en Poly-V.

Mots-clés : Elastomère thermoplastique, tribomètre haute température, température de contact, usure par glissement, frottement

Soutenance de thèse de Joël Keumo Tematio

27 octobre 2022

Joël Keumo Tematio soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 27 octobre 22.

Simulation numérique du procédé de fabrication additive DED : résolution thermomécanique incrémentale complète et modèles réduits de type "inherent strain"

Joël Keumo Tematio a réalisé sa thèse sous la supervision de Michel Bellet et Yancheng Zhang dans l'équipe de recherche 2MS. Il soutient sa thèse de doctorant en spécialité "Mécanique Numérique et Matériaux" le 27 octobre 2022 devant le jury suivant :

– Anne-Marie Habraken, Université de Liège, Belgique, rapporteur

– Pierre Joyot, ESTIA, rapporteur

– Anthony Gravouil, INSA Lyon, examinateur

– Daniel Weisz-Patrault, Ecole Polytechnique, examinateur

Résumé :

Une simulation thermomécanique par éléments finis est développée pour le procédé de fabrication additive DED (directed energy deposition). La simulation est conduite à l’échelle de la pièce, en modélisant le dépôt progressif de matière et la source d’énergie. Une expression générale du module tangent consistent est dérivée et implémentée dans la résolution par éléments finis, dans le cas d’un comportement élasto-viscoplastique avec des écrouissages de type isotrope et cinématique non linéaire. Pour calculer incrémentalement les champs de déplacement, de déformation et de contrainte, une formulation théorique du problème cinématique de positionnement est proposée pour minimiser la distorsion de la fraction non construite en considérant les informations de déplacement et de déformation actuelles. L’analyse de convergence de la simulation développée est effectuée à la fois d’un point de vue temporel et spatial. La validation est effectuée par comparaison avec des résultats expérimentaux de la littérature pour les cas d’un mur rectiligne et d’une aube de turbine présentant une forte courbure. Pour réduire le temps de calcul, une méthode de type "inherent strain" est d’abord proposée, dans laquelle l’inherent strain est déterminée sur quelques cordons, de manière exacte, par une méthode inverse basée sur les résultats de simulation du calcul élasto-visco-plastique standard. Cependant, lorsqu’on applique cette inherent strain dans une simulation couche par couche de la pièce entière, les résultats sont significativement dégradés par rapport à la solution de référence donnée par le calcul standard. Ceci est confirmé, quel que soit le mode d’application de l’inherent strain : uniforme, ou distribution spatiale dans chaque couche. En particulier les écarts à la référence augmentent dans le cas courbe de l’aube de turbine. Pour résoudre ces problèmes, une nouvelle méthode dite "inherent strain rate" est proposée, consistant à linéariser le calcul de dépôt progressif. Pour ce faire, le scalaire vitesse de déformation plastique équivalente est considéré comme étant l’inherent strain rate. Au cours de la simulation du processus, le calcul basé sur la méthode inherent strain rate est combiné avec le calcul standard, conservé pour simuler les extrémités de chacun des cordons. Grâce à cette combinaison et à une mise à jour en ligne de l’inherent strain rate, des résultats parfaits sur les déformations et contraintes sont obtenus pour le mur et l’aube de turbine. Dans cette première version de recherche, la simulation est accélérée d’un facteur 5, ce qui rend la méthode inherent strain rate proposée très prometteuse pour la simulation des procédés de fabrication additive.

Mots-clés : Fabrication additive, simulation numérique, éléments finis, Inherent strain, Inherent strain rate