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

 

Harris Farooq, David Ryckelynck, Samuel Forest, Georges Cailletaud, Aldo Marano. A pruning algorithm for polycrystalline data in high performance computing Preprint, 2021

Thomas Tancogne-Dejean, Christian Roth, Thilo Morgeneyer, Lukas Helfen, Dirk Mohr. Ductile damage of AA2024-T3 under shear loading: Mechanism analysis through in-situ laminography Acta Materialia, Elsevier, 2021, 205, pp.116556. ⟨10.1016/j.actamat.2020.116556⟩

Mohamed Jebahi, Samuel Forest. Scalar-based strain gradient plasticity theory to model size-dependent kinematic hardening effects Continuum Mechanics and Thermodynamics, Springer Verlag, 2021, ⟨10.1007/s00161-020-00967-0⟩

Tobias Kaiser, Samuel Forest, Andreas Menzel. A finite element implementation of the stress gradient theory Preprint, 2021

Thilo Morgeneyer, Xiang Kong, Lukas Helfen, Djamel Missoum-Benziane, Jacques Besson, Mathias Hurst, Tilo Baumbach. Ductile damage study for shear and tension load path changes assessed by experiments and FE simulations WCCM-ECCOMAS CONGRESS, Jan 2021, Paris, France

Aldo Marano, Lionel Gélébart, Samuel Forest. FFT-based simulations of slip and kink bands formation in 3D polycrystals: influence of strain gradient crystal plasticity Preprint, 2021

H. Launay, Jacques Besson, David Ryckelynck, François Willot. Hyper-reduced arc-length algorithm for stability analysis in elastoplasticity International Journal of Solids and Structures, Elsevier, 2021, 208-209, pp.167-180. ⟨10.1016/j.ijsolstr.2020.10.014⟩

Lucie Baudin. Laser treated surfaces in particle accelerators : relation between superficial topography, particle adhesion and compatibility for ultra-high vacuum applications Materials. Université Paris sciences et lettres, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPSLM052⟩

Clément Cadet, Jacques Besson, Sylvain Flouriot, Samuel Forest, Pierre Kerfriden, Victor de Rancourt. Ductile Fracture of Materials with Randomly Distributed Defects Preprint, 2020

Jean-Michel Scherer, Vikram Phalke, Jacques Besson, Samuel Forest, Jeremy Hure, Benoît Tanguy. Lagrange multiplier based vs micromorphic gradient-enhanced rate-(in)dependent crystal plasticity modelling and simulation Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Elsevier, 2020, 372, pp.113426. ⟨10.1016/j.cma.2020.113426⟩

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