SImulation des Matériaux et des Structures

LE CONTEXTE SCIENTIFIQUE

L'objectif du pôle SIMS (Simulation des Matériaux et des Structures) est de disposer de bonnes représentations du comportement et de la rupture des matériaux dans des codes de calcul. On compte donc des études avec une forte composante numérique incluant le développement des logiciels, et des recherches menées en collaboration avec d'autres équipes, permettant de mettre en regard les modèles développés avec des résultats expérimentaux. Les collaborations se font avec de nombreuses équipes extérieures françaises ou étrangères.

Cette activité s'appuie sur le groupe fonctionnel qui développe et maintient les moyens informatiques du Centre des Matériaux, en particulier les calculateurs parallèles.

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Les thèmes de recherche

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MÉCANIQUE DIGITALE

 

Ce thème met en avant l’interaction entre différents axes de recherche tels que : l’acquisition d’images 2D, 3D et 4D, la mesure de champs thermomécaniques, l'analyse d'images et le maillage à partir d’images expérimentales ou issues de modèles aléatoires, le calcul intensif, la réduction des modèles et le traitement des données massives qu’elles soient d’origine expérimentale ou générées par des simulations. Il concerne le développement de méthodes numériques pour le traitement des données. Par exemple, la réduction des modèles non linéaires s’est largement inspirée de méthodes développées pour le traitement d’image. Dans l’hyper-réduction, un modèle mécanique défini sur un maillage réduit permet d’avoir une estimation d’un champ de contrainte complet.

La représentation tensorielle des données est le cadre formel adéquat pour faciliter la comparaison de ces approches. A l’avenir, de nouveaux protocoles de collaboration vont se développer dans le cadre de la mécanique digitale. Cela concernera les moyens technologiques mis en œuvre (moyens d’acquisition, de stockage des données, de calcul …), les méthodes numériques développées, mais également les méthodes de travail en incluant la formation des techniciens et des ingénieurs.

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CALCUL DES STRUCTURES ET DES MICROSTRUCTURES

Les lois de comportement élasto-visco-plastiques des matériaux constituent aujourd'hui un arsenal applicable aux différentes échelles de l'ingénieur : des composants industriels des transports et de l'énergie où l'efficacité de la formulation et de la programmation est au premier plan jusqu'à la description détaillée des éléments de matière, polycristaux et composites aux morphologies complexes.

Les approches multiéchelles permettent de construire une hiérarchie de modèles partant de la plasticité cristalline pour les métaux aux modèles multi-mécanismes de la plasticité macroscropique. La validation de ce corpus de lois passe par la confrontation aux mesures de champs 2D, 3D et 4D : champs cinématiques, de températures, de déformation élastique et d'orientation cristalline ou des chaînes polymères.

La mécanique des milieux continus généralisés est mise à contribution pour décrire les effets d'échelles sur la viscoplasticité des métaux et des polymères : effets de tailles de grains, de précipités, de pores, etc. Enfin la méthode des champs de phase couplée à la mécanique a pour objectif de simuler les évolutions de microstructures (changements de phases, migrations d'interfaces et joints de grains, oxydation...) sous sollicitation mécanique.

                   

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INSTABILITÉS / ENDOMMAGEMENT / RUPTURE

La déformation excessive monotone ou cyclique et le vieillissement des matériaux et des structures conduisent au développement d'instabilités allant de la striction à la localisation en bandes de cisaillement ou de Portevin - Le Chatelier, pour conduire finalement à la rupture. La détection de ces modes et la simulation des états de post-bifurcation et de propagation de fissures nécessitent des méthodes de régularisation basées sur la mécanique des milieux continus généralisés (approche micromorphe de la plasticité et de l'endommagement à gradient).

 

 

 

Le passage de la localisation à l'amorçage de fissure et à la propagation reste une difficulté majeure même si les progrès récents validés par la confrontation aux mesures de champs cinématiques 2D et 3D montrent la pertinence des lois de comportement et d'endommagement développées. Ces modes d'instabilités sont également présents au sein de la microstructure des matériaux. La question de transmission des instabilités microscopiques à la localisation macroscopique est largement ouverte aujourd'hui. La compréhension de ces mécanismes permettra d'optimiser l'architecture des matériaux.

 

 

               

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Les dernières publications

+ de publications

 

Samuel Forest, Kais Ammar, Benoit Appolaire, Victor De Rancourt, Stephan Wulfinghoff. Generalized continua and phase-field models : application to crystal plasticity ed. S. Mesarovic, S. Forest, H. Zbib. Mesoscale models : from micro-physics to macro-interpretation, CISM International centre for mechanical sciences, pp.299-344, 2019, ⟨10.1007/978-3-319-94186-8_6⟩

Aurélien Fouque, Georges Cailletaud, Vladimir A. Esin, Romaric Landfried, Philippe Testé, Frédéric Houzé, Alexandre Bonhomme, Jean-Luc Ponthenier, François Chaudot, Marina Lisnyak. Observation of metallurgical changes induced by an electric arc to Ag-SnO2-CuO electrodes in electrical contacts of contactor 65th Holm Conference on Electrical Contacts - HOLM 2019, Sep 2019, Milwaukee, United States

J Garaud, J Rannou, C Bovet, S. Feld-Payet, V. Chiaruttini, Basile Marchand, L Lacourt, V Yastrebov, N Osipov, S. Quilici. Z-set -suite logicielle pour la simulation des matériaux et structures 14ème Colloque National en Calcul des Structures, May 2019, Presqu’île de Giens (Var), France

Alexandre Pichavant, Élise Provost, Walter Fürst, Jean-François Hochepied. Determination of the temperature dependence of Titanium(IV) hydrolysis and complexation constants in aqueous sulfuric or chlorhydric solutions Journal of Chemical Thermodynamics, Elsevier, 2019, 131, pp.184-191. ⟨10.1016/j.jct.2018.11.001⟩

Aurélien Fouque, Alexandre Bonhomme, Georges Cailletaud, François Chaudot, Vladimir A. Esin, Frédéric Houzé, Romaric Landfried, Marina Lisnyak, Jean-Luc Ponthenier, Philippe Testé. Proposition d’une méthode visant à estimer l’énergie apportée par un arc à une anode en Ag-SnO2 14ème Colloque sur les Arcs Electriques, Mar 2019, Bourges, France

Victor-Manuel Trejo-Navas, Ante Buljac, François Hild, Thilo Morgeneyer, Lukas Helfen, Marc Bernacki, Pierre-Olivier Bouchard. A comparative study of image segmentation methods for micromechanical simulations of ductile damage Computational Materials Science, Elsevier, 2019, 159, pp.43-65. ⟨10.1016/j.commatsci.2018.11.039⟩

Sinisa Dj. Mesarovic, Samuel Forest, Hussein Zbib. Mesoscale models : from micro-physics to macro-interpretation Sinisa Mesarovic, Samuel Forest, Hussein Zbib. Springer, 2019, 978-3-319-94185-1

Maxime Hervy, Elsa Weiss-Hortala, Doan Pham Minh, Hadi Dib, Audrey Villot, Claire Gerente, Sarah Berhanu, Anthony Chesnaud, Alain Thorel, Laurence Le Coq, Ange Nzihou. Reactivity and deactivation mechanisms of pyrolysis chars from bio-waste during catalytic cracking of tar Applied Energy, Elsevier, 2019, 237, pp.487-499. ⟨10.1016/j.apenergy.2019.01.021⟩

Zhen-Pei Wang, Leong Hien Poh, Yilin Zhu, Justin Dirrenberger, Samuel Forest. Systematic design of tetra-petals auxetic structures with stiffness constraint Materials and Design, Elsevier, 2019, 170, pp.107669. ⟨10.1016/j.matdes.2019.107669⟩

Joseph Marae Djouda, Yazid Madi, Fabrice Gaslain, Jérémie Béal, Jérôme Crépin, Guillaume Montay, Léa Le Joncour, Naman Recho, Benoît Panicaud, Thomas Maurer. Investigation of nanoscale strains at the austenitic stainless steel 316L surface : Coupling between nanogauges gratings and EBSD technique during in situ tensile test Materials Science and Engineering: A, Elsevier, 2019, 740-741, pp.315-335. ⟨10.1016/j.msea.2018.10.059⟩

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