Mécanique Numérique des Solides – CSM

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    Membres Permanents de l'équipe

    Katia Mocellin, responsable
    François Bay
    Pierre-Olivier Bouchard
    Daniel Pino Munoz
    Yannick Tillier
    Salim Kraria
    Nathalie Brulat-Bouchard
    Elodie Ehrmann
    Charles Savoldelli

    Domaines de recherche

    - Méthodes numériques
    - Mécanique du solide
    - Optimisation et Analyse Inverse
    - Endommagement et Rupture
    - Biomécanique

    Applications

    - Mise en forme des métaux
    - Etudes des tissus du et pour le vivant (prothèses et organes)
    - Chauffage par induction et formage électromagnétique

    L’équipe CSM a pour objectif le développement de méthodes numériques, de modèles mécaniques et de méthodologies appliqués à des problématiques en mécanique des solides.

    L’approche notamment proposée ici est de s’intéresser la chaîne de production de pièces ou de composants dans son ensemble afin de pouvoir prédire et optimiser les propriétés en service en intégrant l’histoire thermomécanique du matériau.

    Activités de recherche

    Développement de méthodes numériques pour les procédés de fabrication et les structures

    Le groupe CSM travaille sur le développement de méthodes numériques avancées dans un environnement logiciel exigeant. Les algorithmes et méthodes doivent en effet s’inscrire dans le contexte de structures logicielles complexes dans des logiciels commerciaux.

    • Formulation stationnaire et méthodes ALE
    • Solveurs itératifs et parallèles, méthodes multi maillages
    • Analyse de contact , algorithme multidomaine
    • Anisotropie et remaillage adaptatif
    • Assemblages par déformation plastiques : de la pose à la tenue mécanique (rivetage, sertissage...)
    • Mise en forme de tôles et de tubes
    • Soudage...

    Couplages multiphysiques

    La prise en compte de couplages entre la mécanique, la thermique, les champs magnétiques et électriques est une thématique basée sur le développement de modèles numériques pour le traitement d’équations aux dérivées partielles de natures différentes. Les éléments finis d’arètes et la résolution de systèmes complexes sont des exemples de méthodes développées pour la modélisation de procédés tels que le chauffage par induction ou par effet Joule.

    • Prise en compte de courants directs et alternatifs
    • Méthode de résolution adaptée aux équations de Maxwell
    • Couplages multiphysiques
    • Soudage par effet Joule ou impulsion magnétique
    • Chauffage par induction (prise en compte de l’air environnnant)
    • Formage par impulsion magnétique

    Biomécanique


    L’activité « biomécanique » couvre les deux axes majeurs que sont la caractérisation mécanique des matériaux, y compris d’origine biologique, et leur modélisation. Les applications visées sont la simulation d’opérations chirurgicales pour la planification opératoire et l’aide au développement de dispositifs médicaux. Les domaines médicaux couverts vont de la gynécologie à l’ophtalmologie en passant par l’implantologie, la chirurgie dentaire et la chirurgie esthétique. Un point commun à l’ensemble des études est la nécessité d’une caractérisation fine du comportement des tissus et matériaux modélisés. Les principaux matériaux étudiés sont les tissus mous, l’os, les composites dentaires et tout autre matériau entrant dans la composition de dispositifs médicaux (silicones de grade médical, etc.). Nous nous efforçons de développer les procédures adaptées à ces matériaux (en particulier lorsqu’il s’agit de tissus vivants) et des bancs d’essais expérimentaux sont développés lorsque les techniques conventionnelles font défaut. Notre souhait est de favoriser les échanges interdisciplinaires. C’est pourquoi l’équipe est principalement composée de cliniciens et d’ingénieurs et les études se font en grande majorité en collaboration étroite avec des praticiens hospitaliers ou avec des partenaires industriels qui souhaitent améliorer leurs produits.

    Modélisation et caractérisation du comportement des matériaux jusqu’à l’endommagement et la rupture

    Le groupe CSM possède une expertise importante sur la caractérisation des matériaux pour des trajets de chargement complexes, tant pour identifier leur comportement que pour caractériser leur déformation à rupture en fonction du trajet de chargement. Nous développons pour cela des techniques numériques de haute fidélité qui permettent de simuler les mécanismes physiques responsables de l'endommagement des matériaux aux différentes échelles. Cette approche permet ainsi d'obtenir par analyse inverse les différents paramètres matériaux nécessaires à la modélisation de l'endommagement. Le groupe présente également une expertise avancée sur la modélisation 3D de la rupture au travers de techniques d'adaptation de maillage et de remaillage automatique. Ces champs de compétence combinés permettent le développement de modèles prédictifs pour la maîtrise et la compréhension de procédés complexes et des caractéristiques mécaniques des pièces produites. Pour alimenter ces modèles, nous développons des essais spécifiques pour se rapprocher au plus des conditions de sollicitations vues par la matière au cours des procédés de mise en forme ainsi que des essais semi-industriels permettant de valider les modèles développés.

    Exemple de projets

    Thèse CIFRE MBDA
    Thèse CIFRE MBDA
    GEOAZUR
    GEOAZUR
    TOOTHBOX
    TOOTHBOX
    Valves cardiaques
    Valves cardiaques
    Appareil manducateur
    Appareil manducateur

    Equipements

    Machine de formage magnétique

    La machine est équipée d’un générateur de type 20 kJ/9kV, il s’agit d’une mini-station de magnéto-formage plan avec une bobine de formage type « pancake ». L’objectif est de pouvoir mener des essais de validation des modèles numériques développés au CEMEF ainsi que la caractérisation du comportement de matériau sous haute vitesse de sollicitation.

    Machine de traction bi-axiale

    Machine de traction biaxiale adaptée aux caractéristiques mécaniques des tissus mous et couplée à un système de corrélation d’images. Permet de caractériser notamment le comportement hyperélastique anisotrope des valves cardiaques – modélisation numérique d’une valve aortique (thèse de Colin Laville). >> En savoir plus

    Pince Rhéobiol

    La pince Rhéobiol a été développée, dans le cadre de la thèse d’Audrey Paccini, dans le but de pouvoir caractériser le comportement de tissus mous au plus proche du bloc opératoire, juste après le prélèvement d’organes. Constituée d’un embout hémisphérique, pouvant être remplacé par un système de bipoinçonnement dédié aux tissus plats ou tubulaires, ce dispositif expérimental transportable et qui peut être aisément pris en main par les cliniciens, permet d’enregistrer avec précision et de façon répétée la force exercée par la pointe de l’indenteur en fonction de son déplacement et du temps. Associé à un modèle éléments finis, il est alors possible d’identifier les paramètres des lois de comportement par analyse inverse.

    Mini-Fluotour

    Un banc de fluotournage inverse à l'échelle laboratoire a été conçu et développé par l'équipe MEA du CEMEF. Il permet la mise en forme des tubes métalliques à froid par l'action de 3 molettes qui repoussent la matière. Ce prototype instrumenté permet de suivre les efforts et les couples mis en jeu au cours du procédé. L'instrumentation permet également une comparaison avec les valeurs prédites par la simulation. Ce dispositif a permis l'étude de la déformation à froid d'alliages de titane, d'aluminium ou d'aciers.

    Logiciels

    Forge® - Usinage

    L'usinage est une étape importante dans la production de pièces.
    Elle permet de lui conférer sa forme final en retirant les surépaisseurs.
    Ils peut arriver qu'à cette étape les contraintes residuelles héritées par la pièce au cours de ses nombreuses étapes de mise en forme se rééquilibrent dans la nouvelle géométrie et donnent lieu à des distorsion.

    Nous avons développé une un logiciel qui permet de programmer le chemin d'usinage et de calculer le rééquilibrage progressif des contraintes et les distorsions en tenant compte des contraintes héritées et du bridage appliqué.
    Ce logiciel est compatible avec le calcul parallèle comme on peut la voir sur cette video où on visualise la répartition par processeur.
    Exemple de distorsion de pièce en aluminium pendant l'usinage des différentes poches.
    Déplacement suivant l'axe vertical, prise en compte des brides latérales.

    Forge® / Matelec

    La prise en compte de couplages entre mécanique, thermique, métallurgie avec des champs électromagnétiques nécessite le développement de modèles numériques pour le traitement d’équations aux dérivées partielles de natures différentes. Les stratégies de couplage entre problèmes physiques à temps caractéristiques différents, le couplage d’interpolations différentes sur les éléments finis (arêtes, faces, nœuds ou éléments suivant le type de continuité des champs), la modélisation des couplages magnétiques par maillage de l’air avec des conditions aux limites adaptées, la résolution de systèmes complexes (grandeurs harmoniques), sont autant d’exemples de méthodes mises en œuvre pour la modélisation de procédés impliquant des couplages électromagnétiques. Exemples de procédés :
    • Chauffage/traitement thermique par induction
    • Formage/soudage par impulsion magnétique
    • Soudage ou chauffage par effet Joule
    • Brassage électromagnétique

    MOOPI

    im MOOPI est un logiciel scientifique destiné à l’identification par analyse inverse d’un ou plusieurs paramètres d’entrée d’une simulation numérique en fonction de données expérimentales. C’est un logiciel générique permettant d’être interfacé avec différents logiciels de simulation (abaqus, matlab, cimlib, forge...)

    MPCP

    MPCP est une librairie d’outils pour le calcul des lois de comportement de matériaux solides. Ces outils aident aux développement des nouvelles lois de comportement et permettent de faire des interfaces avec des codes de calcul de nature différente. MPCP est écrite en C++ et à ce jour est interfacée avec la Cimlib, avec Forge et une interface Abaqus est en cours de développement.

    CimLib®

    Cimlib est librairie de calcul par éléments finis écrite en C++. Cette librairie a vocation à être générique de façon à pouvoir résoudre des problèmes multiphysiques. Hautement parallélisée, Cimlib fournit des outils pour l’adaptation de maillage pour la résolution de problèmes non linéaires. Développée simultanemment par plusieurs équipes au CEMEF, la Cimlib est aujourd’hui utilisée dans l’équipe CSM pour résoudre des problèmes multi-échelle d’endommagement, des problèmes thermiques ainsi que pour étudier le comportement thermomécanique des matériaux composites.

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    Fait marquant de l'équipe CSM :

    Méthodes numériques pour la réduction des temps de calcul d’un logiciel industriel

    La réduction des temps de calcul demeure une obsession dans le domaine de la simulation des procédés de mise en forme, qu’il s’agisse de mener un calcul à son terme avec une précision satisfaisante et dans des temps raisonnables, ou d’effectuer de nombreux calculs d’optimisation ou d’analyse inverse pour concevoir une gamme de mise en forme ou identifier des paramètres de comportement du matériau.
    Différentes méthodes numériques ont ainsi été développées en tirant parti des particularités de certains procédés de mise en forme, telles que les formulations Arbitrairement Lagrangienne ou Eulériennes ou l’approche Multi-Maillage. Le point clé de ces développements est la compatibilité avec le logiciel FORGE, caractérisé par des maillages non structurés à base de tétraèdres linéaires, de grandes déformations de la matière, des remaillages fréquents nécessitant le transport des champs, et le calcul parallèle sur des domaines partitionnés proportionnellement au nombre de processeurs.

    "J’apprécie la pluridisciplinarité de mon sujet de thèse. Je dois prendre en compte la mécanique, le transfert thermique, le procédé d’électromagnétisme...”

    José Alves, Docteur du CEMEF

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    Relations académiques :

    Centre des Matériaux - MINES ParisTech
    Mateis – INSA Lyon
    SIGMA Clermont Ferrand
    CHU Nice
    GéoAzur
    OCA :Observatoire de la Cote d'Azur
    MIT
    NASA

    Relations industrielles :

    Renault, PSA, Faurecia
    Aubert et Duval, Constellium, Ascometal,ARCELOR MITTAL
    MBDA, CEA
    SAFRAN, AIRBUS,
    Transvalor

    Thèses en cours

    • Tianqi HUANG : Changement du comportement à court terme du C-PVC : compréhension et modélisation.Promotion 2019 + Equipe MPI
    • Nagasai KAUTA : Modélisation du procédé de floutournage de tôles épaisses pour l’industrie aérospatiale. Promotion 2019
    • Hazem ELDAHSHAN : Modélisation numérique 3D de la transition endommagement-rupture appliquée aux matériaux ductiles. Promotion 2018
    • Mohamed MAHMOUD : Modélisation numérique pour l’étude des produits minces sous chargements complexes. Promotion 2018
    • Ichrak RAHMOUN : Modélisation Thermomécanique des procédés de fabrication de modules photovoltaïques. Promotion 2018 + Equipe MPI
    • Ahmed ROULA : Analyse et modélisation du procédé de fluotournage pour la maîtrise de la mise en forme d’articles culinaires. Promotion 2018
    • Yoan BOUSSÈS : Etude du comportement et optimisation de biomatériaux composites dentaires. Promotion 2017
    • Marie-Anne VIDAL : Etude expérimentale et modélisation du fluotournage d’aciers hautes performances : des lois de comportement aux critères d’endommagement. Promotion 2017