Soutenance de thèse de Charles Brissot

14 avril 2022

Charles Brissot soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 14 avril 22.

Étude numérique et expérimentale des phénomènes d'ébullition – Application à la trempe

Charles Brissot a réalisé sa thèse dans l'équipe CFL sous la direction d'Elie Hachem et Rudy Valette dans le cadre de la Chaire ANR Industrielle Infinity. Il soutient sa thèse de doctorat en "Mécanique Numérique et Matériaux", sous réserve de l'accord des rapporteurs, le 14 avril 2022 devant le jury suivant :

Prof. ABISSET-CHAVANNE Emmanuelle, Arts et Métiers ParisTech, rapporteur

Prof. COUTINHO Alvaro, Federal University of Rio de Janeiro, Brésil, rapporteur

Dr. LAJOINIE Guillaume, University of Twente, examinateur,

Prof. ARGENTIN Médéric, Institut de Physique de Nice, examinateur

Mr. EVEN David, Faurecia, invité

Résumé :

L'ébullition est un mode d'extraction de chaleur efficace utilisé dans nombre de procédés industriels dont la trempe. La trempe consiste à plonger une pièce de métal chaude dans un fluide pour la faire refroidir rapidement. Cette opération permet d'obtenir des microstructures possédant d'excellentes propriétés mécaniques, à condition de bien contrôler le refroidissement de la pièce. Les échanges de chaleur étant gouvernés par le comportement du fluide, il est donc essentiel de bien comprendre les mécanismes d'ébullition.

Cette thèse est intégrée à la chaire industrielle INFinity qui réunit un consortium de douze industriels désirant accroitre leurs compréhension de la trempe. Pour répondre à leur besoin, une approche par simulation numérique des écoulements fluides (CFD) est employée. C'est un outil puissant qui permet la représentation virtuelle des phénomènes physiques en jeu. Appliquée à des cas industrielle, la CFD permet d'anticiper la plupart des problématiques du procédé, et ainsi d'éviter de nombreux essais expérimentaux. Ce travail s'est donc concentré sur le développement d'un outil de simulation de trempe à échelle industrielle. Pour ce faire, la démarche se décompose en quatre étapes: (i) analyser les phénomènes physiques prépondérants afin de simplifier le problème étudiée, (ii) implémenter un modèle Éléments Finis qui résout les écoulement multiphasiques avec changement de phase, (iii) valider ce modèle en simulant le mode de caléfaction lors de la trempe d'une sphère et en ébullition par film vertical, et (iv) enrichir le modèle pour envisager tous les modes d'ébullition afin d'aboutir à un outil complet de modélisation de trempe à usage industriel.

Un travail analytique sur les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie dans le cadre de la trempe est présenté. En découle un travail numérique qui a mené à un outil basé sur la méthode Level Set et l'approche Continuous Surface Force. Ce modèle est validé sur différents cas tests 2D et 3D de complexités croissantes. Un travail expérimental sur l'étude de la trempe de billes de nickel a permis de compléter cette approche. Enfin des validations sur un cas académique plus complexe et sur deux cas industriels sont présentées avec une discussion sur les hypothèses et la validité du modèle.

Mots-clés : ébullition, trempe, changement de phase, vaporisation, éléments finis, méthode level set

Soutenance de thèse de Brayan Murgas

7 avril 2022

Brayan Murgas soutient sa thèse de doctorat le 7 avril 22.

Vers une description précise de la mobilité et de l'énergie du joint de grain pour leur implémentation dans un modèle d'éléments finis des mécanismes de recristallisation et croissance de grains.

Brayan Murgas a réalisé sa thèse dans l'équipe MSR sous la direction de Marc Bernacki et Nathalie Bozzolo. Brayan soutiendra sa thèse de doctorat en "Mécanique Numérique et Matériaux", sous réserve de l'accord des rapporteurs, le 7 avril 2022 devant le jury suivant :

– Prof. Laurent Delannay, Université catholique de Louvain, Belgique, rapporteur

– Prof. Lukasz Madej, AGH University, Pologne, rapporteur

– Prof. Roland Logé, EPFL, Suisse

– Prof. Somnath Ghosh, Johns Hopkins University, Etats-Unis

– Prof. Carl Krill, Ulm University, Allemagne

– Dr. Baptiste Flipon, MINES ParisTech, France

– Dr. Pascal de Micheli, TRANSVALOR, France, invité

Résumé :

La relation entre procédé de fabrication, microstructure, propriétés et performance des matériaux relève d’un grand intérêt pour l’industrie de mis en forme des métaux. Cette relation est à l’origine d’une nouvelle branche de la science des matériaux appelée ingénierie des joints de grains, qui vise à obtenir des propriétés spécifiques des matériaux métalliques grâce au contrôle de la distribution des types de joints de grains. Les procédés de fabrication des métaux peuvent être modélisés à une échelle mésoscopique grâce à l’utilisation d’outils numériques décrivant l’évolution des joints de grains. L’approche Level-Set (LS), dans un contexte de formulation éléments finis (EF), est un outil puissant permettant de reproduire les traitements thermodynamiques industriels où de grandes déformations peuvent avoir lieu.

Ce travail visait à améliorer une formulation EF-LS en y introduisant des modèles plus précis concernant la description de l’énergie des joints de grains et de leur mobilité. L’objectif principal étant de construire des modèles encore plus prédictifs en croissance de grains et recristallisation. Des cas applicatifs sur un acier austénitique ont été considérés. Lorsque des joints de grains spéciaux ou des sous-joints sont étudiés, ils est en effet nécessaire d’améliorer les modèles décrivant les propriétés des joints de grains. Ces améliorations ont été intégrées dans différents formulations EF-LS grâce à l’ajout de termes dans le champ de vitesse et leur prise en compte, parfois complexe, dans les formulations faibles. La formulation dite anisotrope, testée sur des simulations de cas analytiques de jonctions triples et sur des microstructures polycristallines, s’est confirmée être la formulation la plus physique. Néanmoins, il convient de noter que la connaissance actuelle des données et des modèles de propriétés des joints de grains souffre toujours du manque de données expérimentales pertinentes et précises. La description complète des propriétés des joints de grains nécessite une analyse spatiale tridimensionnelle de la microstructure, ainsi qu’une évolution temporelle dans les conditions thermomécaniques données, ce qui reste impossible à réaliser avec les techniques les plus récentes.

En se basant donc sur des données expérimentales partielles obtenues durant ce travail de thèse, sur des données issues de calculs pré-existants en dynamique moléculaire, et sur des simulations EF-LS réalisés sur des jonctions multiples et des polycristaux de plusieurs milliers de grains. Il a été mis en évidence que la formulation Anisotrope est la plus physiquement pertinente parmi les formulations proposées pendant ce travail. Cependant, il a également été mis en évidence que la formulation isotrope peut être utilisée pour des niveaux faibles d’hétérogénéité ou d’anisotropie avec une précision équivalente aux prédictions du modèle anisotrope. Les développements réalisés permettent aussi aujourd’hui de considérer, dans le formalisme LS, des macles cohérentes et incohérentes, isolées ou intégrées à une microstructure polycristalline.

Simulation de croissance de grain d'un acier austenitique à 900°C utilisant des données EBSD

Mots-clés : Méthode des Eléments Finis, Level-Set, Joints de grains, Mobilité des joints de grain, Energie des joints de grain, Anisotropie

Soutenance de thèse de Chengdan Xue

8 mars 2022

Chengdan Xue soutient sa thèse de doctorat le 15 mars 2022.

"Modélisation de la structure de grain et de la fissuration à chaud dans les procédés de soudage à l'arc"

Chengdan Xue a réalisé sa thèse dans l'équipe 2MS encadré par Charles-André Gandin, Michel Bellet et Gildas Guillemot. Chengdan soutiendra sa thèse de doctorat en "Mécanique Numérique et Matériaux", sous réserve de l'accord des rapporteurs, le 15 mars 2022 devant le jury suivant :

– Prof. Dominique Daloz, Université de Lorraine, Institut Jean Lamour, Rapporteur

– MC Iryna Tomashchuk, Université de Bourgogne Franche-Comté, IUT Le Creusot, Rapporteur

– Prof. Aude Simar, Université Catholique de Louvain

– Prof. Cyril Bordreuil, Université de Montpellier, LMGC

– IR. Pierre-Emile Lhuillier, EDF R&D

Résumé :

Le soudage est un processus d'assemblage permanent qui doit assurer la continuité du matériau. Pourtant, pendant la solidification, plusieurs types de défauts comme la fissuration à chaud peuvent se développer, entraînant une diminution de la qualité de la soudure et des performances des pièces. La prise en compte de la structure de grains produite lors du procédé de soudage est ici étudiée pour adapter un critère en déformation cumulée capable de prédire l'occurrence de la fissuration à chaud.

Un modèle tridimensionnel couplant Automate Cellulaire et Éléments Finis (CAFE) est tout d’abord appliqué pour simuler la structure de grain du procédé GTAW (Gas Metal Arc Welding) avec ou sans apport de matière, pour les configurations de tôle et de chanfrein. Toutes les configurations sont dédiées au soudage des aciers inoxydables austénitiques étudiés expérimentalement par les partenaires du projet ANR NEMESIS. Un nouveau modèle de source de chaleur est proposé et pour le soudage en chanfrein. La structure de grain simulée est comparée aux observations expérimentales réalisées par la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Une bonne cohérence est trouvée concernant la texture des grains (cartes EBSD et figures de pôles) une fois que les conditions thermiques correspondantes sont obtenues, validées par la taille et la forme du bain de fusion déduites d’observations in-situ en temps réel.

Des conditions de soudage fissurant et de non-fissurant sont étudiées en exploitant des données expérimentales rapportées dans la littérature. Les résultats des simulations exploitant le critère en déformation cumulée permettent bien de distinguer les cas avec et sans fissuration. L’influence de la structure de grain simulée par l’approche CAFE est considérée. Des résultats similaires sont obtenus, démontrant la faisabilité d’enrichir le critère et une cohérence avec les observations expérimentales.

Des discussions sont finalement proposées comme perspectives pour ces activités. La validation du critère de fissuration à chaud avec plus de configurations de soudage est souhaitable, les contrôles non destructifs (CND) par onde ultrasonore actuellement utilisés pour détecter et localiser la fissuration à chaud pourraient également bénéficier des structures de grains simulées, et une exploitation plus approfondie de la structure dans un critère de fissuration à chaud est envisagée.

Mots-clés : soudage, fissuration, solidification, modélisation multi-échelles, microstructure, approche CAFE

Soutenance de thèse de Saoussen Ouhiba

9 février 2022

Saoussen Ouhiba soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 22 février 22

Recristallisation des alliages 6016 au cours et après le laminage à chaud

Saoussen Ouhiba a fait sa thèse sous la direction de Nathalie Bozzolo et Marc Bernacki, dans l'équipe MSR. Saoussen soutient sa thèse en "Mécanique Numérique et Matériaux" devant le jury suivant :

– Prof. Knut Marthinsen, Norwegian University of Science and Technology, rapporteur

– MC. Myriam Dumont, Arts et Métiers Lille, rapporteur

– Prof. Franck Montheillet, Mines Saint Etienne, examinateur

Résumé :

Le besoin croissant de véhicules automobiles plus légers pousse à s’intéresser de plus en plus aux alliages d’aluminium, en particulier aux alliages 6xxx (Al-Mg-Si) à durcissement structural. Bien que ces alliages soient connus pour leur bonne formabilité, leur bonne résistance à la corrosion et leur potentiel de renforcement suffisant, ils sont parfois sujets à l'apparition de défauts de surface. Une meilleure compréhension des évolutions microstructurales se produisant au cours du processus de laminage à chaud est requise pour optimiser les propriétés finales. En particulier, l'interaction entre les précipités et les solutés avec les processus de restauration dynamique et de recristallisation dynamique et post-dynamique est étudiée. Dans ce contexte, différents états de précipitation initiaux sont générés puis soumis à essais de compression à chaud. Des analyses microstructurales sont effectuées par microscopie électronique à balayage (MEB) et cartographie des orientations cristallines par EBSD. Les facteurs favorisants le développement anisotrope de gros grains recristallisés lors du maintien après déformation sont également étudiés par recuit séquentiel à l’aide d’une platine chauffante couplée au MEB/EBSD. Cette étude est complétée par des simulations 2D en champ complet basées sur la méthode Level Set afin de discuter de la validité des hypothèses émises concernant le développement anisotrope de certains grains recristallisés. Enfin, l'influence de divers paramètres thermomécaniques sur l'évolution de la microstructure est étudiée, permettant ainsi de déterminer les conditions favorables à la formation de grains recristallisés plus fins.

Mots-clés : alliages d'aluminium, laminage à chaud, recristallisation, gros grains recristallisés, effet des précipités/solutés

Soutenance de thèse de Junfeng Chen

21 janvier 2022

Junfeng Chen soutient sa thèse de doctorat le 27 janvier 2022

Réseaux de neurones convolutifs pour la prédiction de flux constant autour d'obstacles 2D

Junfeng Chen a réalisé sa thèse dans l'équipe CFL. Il soutient sa thèse en "Mathématiques Numériques, Calcul intensif et Données" le 27 janvier 2022 devant le jury suivant :

– Prof. Emmanuelle Abisset-Chavanne, Arts et Métiers ParisTech

– Prof. Anne Johannet, IMT Mines Alès, rapporteur

– Prof. Jean-Luc Harion, IMT Mines Telecom Lille Douai, rapporteur

– Prof. Elie Hachem, CEMEF Mines Paris, Directeur de thèse

– MA Frédéric Heymes, IMT Mines Alès, Co-directeur de thèse

– IR Jonathan Viquerat, CEMEF Mines Paris, Maître de thèse

Résumé :

Au cours des dernières années, les réseaux de neurones ont suscité un grand intérêt dans la communauté de la dynamique des fluides computationnelle, en particulier lorsqu'ils sont utilisés comme modèles de substitution, que ce soit pour la reconstruction de l'écoulement, la modélisation de la turbulence ou pour la prédiction des coefficients aérodynamiques. Cette thèse considère l'utilisation de réseaux de neurones convolutifs, une catégorie spéciale de réseaux de neurones conçus pour les images, comme modèles de substitution pour la prédiction de l’écoulement stationnaire autour d'obstacles 2D. Les modèles de substitution sont calibrés dans le cadre de l'ajustement des données, avec l'ensemble de données préparé par des solveurs qualifiés aux équations de Navier-Stokes et projeté sur des grilles cartésiennes. Une fois calibrés, les modèles montrent une grande précision en termes de prédiction de vitesse et de pression, même autour d'obstacles non vus lors de la calibration. Dans l'étape suivante, une nouvelle architecture de réseaux de neurones convolutifs est proposée pour la détection d’anomalies et la quantification de l’incertitude, permettant au modèle de substitution de savoir s'il effectue une interpolation ou une extrapolation tout en faisant la prédiction. Avec ces méthodes, l'utilisateur d'un réseau de neurones calibré peut soit décider d'accepter ou non une prédiction, soit avoir une estimation quantifiée de l'erreur de prédiction. La troisième contribution consiste à utiliser des réseaux de neurones convolutifs sur graphes comme modèles de substitution pour prédire la vitesse et la pression sur des maillages triangulaires, qui présentent des avantages significatifs dans la représentation géométrique par rapport aux grilles cartésiennes. Grâce au raffinement du maillage proche des interfaces solides, le modèle basé sur des graphes peut donner une prédiction de couche limite plus précise que les réseaux de neurones convolutifs traditionnels. La dernière partie de cette thèse considère l'intégration des connaissances physiques dans la calibration d'un réseau de neurones convolutifs sur graphe, qui est calibré en minimisant le résidu des équations de Navier-Stokes sur un maillage triangulaire. La vitesse et la pression prédites autour d'un cylindre sont de très haute qualité par rapport aux résultats des solveurs numériques qualifiés. N'étant pas dans le cadre de l'ajustement des données, cette approche fournit un nouveau solveur d'équations aux dérivées partielles, et mérite plus de travail sur sa convergence et son coût de calcul.

Mots-clés : réseaux de neurones convolutifs, modèles de substitution, Dynamique des fluides computationnelle, élément fini, quantification de l'incertitude, convolution sur graphes

Soutenance de thèse de Karen Alvarado Vargas

12 janvier 2022

Karen Alvarado Vargas soutient sa thèse en Mécanique Numérique et Matériaux le 20 janvier 22

Croissance des grains sous l'influence du phénomène d'ancrage de Smith-Zener avec évolution des particules de seconde phase : approche multi-échelle et application aux superalliages à base de nickel

Karen Alvarado Vargas a fait sa thèse sous la direction de Marc Bernacki et Nathalie Bozzolo, dans l'équipe MSR. Karen soutient sa thèse en "Mécanique Numérique et Matériaux" devant le jury suivant :

– Prof. Julien Bruchon, Ecole des Mines de Saint Etienne, SMS, rapporteur

– Prof. Michel Perez, INSA Lyon, rapporteur

– Prof. Alain Hazotte, Université de Lorraine, LEM3

– Prof. Olga Bylya, University of Strathclyde, Advanced Forming Research Centre

– Dr. Pascal De Micheli, Transvalor

Résumé :

Dans la plupart des superalliages polycristallins à base de nickel, la taille des grains est contrôlée par les particules de seconde phase qui entravent la migration des joints de grains. Le modèle Smith-Zener décrit cette interaction physique. Les processus de forgeage industriels impliquent des étapes de déformation à chaud près de la température de dissolution des particules. Par conséquent, il est essentiel de comprendre et de prévoir leur évolution afin de contrôler correctement la taille des grains obtenue après un traitement thermique donné ; ainsi que les propriétés associées.

Trois superalliages à base de nickel ont été étudiés (AD730, René 65, N19) avec une série de traitements isothermes et d’analyses microstructurales détaillées basées sur les techniques MEB et EBSD. Plus précisément, pour les précipités 𝛾’ primaires, la fraction des particules, leur taille et leur morphologie ainsi que l’évolution de la taille des grains ont été analysés. Une équation a été établie pour décrire l’évolution de ces précipités dans chacun des trois matériaux en fonction de la température et du temps, à l’aide de données expérimentales, de résultats de calculs Thermo-Calc et du modèle Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK).

Des simulations numériques par la méthode des éléments finis ont été ensuite effectuées pour simuler la croissance de grains, avec une formulation à champ complet employant la méthode Level-set (LS) et une population de particules de seconde phase évoluant selon les cinétiques précédemment établies. Cette approche numérique a été privilégiée par rapport aux autres méthodes de la littérature car elle permet de simuler de grandes déformations, ce qui ouvre la possibilité de reproduire des chemins thermomécaniques plus réalistes par rapport à ceux utilisées en mise en forme industrielle des matériaux métalliques, où les gammes comprennent des étapes de déformation à chaud et des traitements thermiques. Cette thèse propose un nouveau formalisme basé sur la méthode LS pour modéliser les mécanismes de croissance de grains sous l’influence de l’ancrage de Smith-Zener et capable de considérer l’évolution des précipités. Les précipités sont représentés par une fonction distance supplémentaire et un traitement numérique des joints de grains à proximité des précipités est appliqué pour reproduire correctement la pression d’ancrage. Ainsi, en prenant en compte la cinétique de dissolution réelle des précipités avec des lois phénoménologiques, ces simulations permettent de prédire les évolutions des grains non seulement à l’état stationnaire aux temps longs, mais également dans le régime transitoire.

Mots-clés : croissance de grains, ancrage de Smith-Zener, méthode Level-Set, simulations à champ complet, superalliages 𝛾-𝛾’, dissolution des précipités