Dynamique rapide

Publié le 26 janvier 2013.

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Dynamique rapide

Utilisation des solveurs éléments finis de dynamique explicite

Les problèmes de dynamiques sont nombreux dans l’industrie (collision, séisme, impact, crash, explosion, perforations, mécanismes, …). Dans la majorité des cas les phénomènes dynamiques sont simplifiés en un calcul statique équivalent.

La recherche de structures toujours plus performantes, toujours plus légères pousse les fabriquant vers des modélisations plus précises, plus réalistes.

La modélisation dynamique explicite ou implicite permet de lever un grand nombre d’hypothèses imposées par les calculs statiques équivalents pour des modélisations beaucoup plus fidèles au comportement réel de la structure. Ces modélisations jusqu’à présent réservées aux gros projets et aux grands groupes sont dès à présents accessibles aux petites et moyennes entreprises par la baisses des coûts calculs et l’amélioration des logiciels. Ces méthodes n’en demeurent pas moins exigeantes sur l’expertise du calculateur pour une modélisation rigoureuse.

EC2-Modélisation vous propose son expertise ainsi qu’une large gamme d’outils pour vous accompagner dans le développement et l’analyse de vos produits.

Exemples de simulations de dynamique rapide :

Matériaux composites

Publié le 26 janvier 2013.

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Matériaux composites

Simulation numérique par éléments finis des matériaux composites

Les matériaux composites tendent à remplacer les matériaux traditionnels dans l’industrie et le transport. Les constructeurs aéronautiques et automobiles en particulier misent très fortement sur ces nouveaux matériaux qui offrent de très grandes perspectives d’allègement et d’économie d’énergie. La gamme des matériaux disponibles et envisageables est virtuellement infinie : fibres courtes, fibres longues, tissées, fibre carbone, kevlar, matériaux recyclables, ...

EC2-Modélisation en collaboration avec le laboratoire d’essais MECANIUM prend en charge la caractérisation de vos matériaux et l’identification de lois de comportement les mieux adaptées aux calculs de structures.

EC2-Modélisation travaille en parallèle sur des méthodes de caractérisations avancées basées sur la modélisation à l’échelle mésoscopique. Cette méthode éprouvée pour les matériaux cellulaires permet de prédire le comportement de matériaux composites avant essais et avant fabrication et ainsi de pré sélectionner un composite adapté et de réduire les essais.

Pour une plus grande précision dans la modélisation dans les domaines plastiques, de l’endommagement et de la rupture, EC2–Modélisation prend en charge le développement de lois de comportement inédites et bien adaptées à ces nouveaux matériaux.

Essais
Caractérisation
Développement de loi de comportement
Calculs de structures composites
Calculs de crash

Exemples de simulations de matériaux composite :

Fatigue et mécanique de l’endommagement

Publié le 26 janvier 2013.

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Fatigue et mécanique de l’endommagement

Modélisation numérique par éléments finis de calcul en fatigue-tenue en endurance

Le calcul de la durée de vie des structures par simulation numérique est primordial pour les industriels afin :

d’orienter la conception de structures,
de diminuer le nombre de prototypes et d’essais en fatigue,
d’optimiser le dimensionnement de leurs structures.

C’est pourquoi, la simulation numérique de tenue en endurance doit permettre d’identifier les zones critiques de la structure dans son environnement, et d’évaluer de manière fiable la durée de vie de la structure.

EC2 Modélisation utilise les derniers développements dans le domaine de l’analyse en fatigue en vue d’études industrielles pour calculer de manière fiable la tenue en endurance de structure, sous chargement statique et/ou dynamique. Des logiciels commerciaux et codes internes, basés sur la mécanique de l’endommagement, sont utilisés dans cette optique.

Détermination de nouvelles modélisations éléments finis pour la simulation numérique de liaisons entre pièces d’une structure

Au cours de la dernière décennie, l’intégration de nouveaux matériaux et de nouvelles géométries dans la conception de produits s’est considérablement développée. Les bureaux d’études doivent donc modéliser ces nouvelles structures, sans pouvoir toujours s’assurer de la bonne représentativité de leur modélisation.

EC2 Modélisation a développé des outils numériques afin de modéliser des liaisons entre pièce et d’optimiser ces modélisation, dans le but :

de mieux reproduire le comportement physique de la structure,
de correctement estimer les données nécessaires aux calculs en fatigue pour la prédiction de la durée de vie des structures.

Les nouvelles modélisations développées sont intégrables dans les logiciels commerciaux éléments finis.

Détermination de nouveaux modèles de tenue en endurance, critère de durée de vie

Afin de d’identifier de manière plus fiable les zones critiques d’une structure, et d’évaluer la durée de vie de celles-ci, des critères de tenue endurance-modèles de prédiction de durée de vie, sont nécessaires. Néanmoins, les données et modèles disponibles dans la littérature ou les logiciels commerciaux ne sont pas forcément adaptés aux problématiques spécifiques de chaque industriel.

Afin de d’élaborer de nouveaux modèles de prédiction de durée de vie, ou d’améliorer les modèles existants, EC2 modélisation a développé des algorithmes d’apprentissage automatique afin de déterminer de nouvelles lois de prédiction de durée de vie, adaptées aux problématiques des industriels. Ces dernières permettent d’améliorer la corrélation calcul-essai en fatigue et de mieux prédire la durée de vie des structures, avec un calcul en endurance adapté à la problématique de l’industriel. Ces modèles et critères développés sont intégrables dans les logiciels commerciaux utilisés par les industriels.

Nouveaux modèles de tenue en endurance et critère de durée de vie

Simplification du chargement pour les calculs en fatigue

Les chargements que subit une structure au cours de son cycle de vie peuvent être complexes de part :

la durée du chargement,
le nombre de points d’entrée du chargement,
la grande variation du type de chargement au cours du temps.

Afin de simuler numériquement le chargement subi par une structure pour ensuite prédire la tenue en endurance de celle-ci, une simplification-condensation du signal de chargement est parfois nécessaire.

EC2 Modélisation utilise les dernières avancées en matière de simplification d’un signal d’effort afin de réduire de manière importante le nombre de points de discrétisation du signal, tout en garantissant une bonne représentativité du chargement simplifié pour les calculs en endurance. La méthode d’optimisation du chargement utilisée :

s’adapte à tout type de simulation numérique et critère de durée de vie,
permet également de traiter les signaux de chargement et d’analyser entre autres, les points critiques du chargement pour la tenue en endurance de la structure.

Images et références :
S. Duraffourg, P. Argoul, E. Vasseur, G. Cumunel
New Spot Weld Fatigue Criteria and Fatigue Data Editing Technique
Procedia Engineering, (2015), pp. 433–453

Thèses

Publié le 4 novembre 2012.

Thèses

Vieillissement des Aerorefrigerants - Etude de la Déformée et de la Fissuration

Auteur : Christophe Baillis
Directeur de thèse : J. F. Jullien
Affiliation de l'auteurs : Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, FRANCE
Résumé : Ce travail est une contribution à la compréhension du comportement mécanique des aéroréfrigérants à tirages naturels sous chargements statiques monotones ou considérés comme tels. L'objectif est de retrouver, à l'aide de simulations numériques : - L'origine des dommages observés sur plusieurs structures, - La ou les causes de leurs évolutions, - Leurs influences sur la tenue de la construction. Le premier chapitre est une étude bibliographique. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les modèles utilisés. La modélisation est basée sur une approche bidimensionnelle avec séries de FOURIER permettant de prendre en compte, le comportement du béton armé, la fissuration initiale et les défauts géométriques. Le troisième chapitre est consacré à la recherche de l'origine des dommages observés sur la coque. Les influences, de la maturation du béton, du poids propre et du sol sont analysées en considérant la structure en cours de construction. Enfin, le dernier chapitre concerne l'étude de l'évolution des dommages au cours du temps et leurs influences sur la résistance de l'aéroréfrigérant. Les effets du fluage et des évolutions du sol sont simulés. La résistance de la structure et sa stabilité sont calculées en prenant en compte, les défauts géométriques et la fissuration, en considérant les actions, de la gravité, du vent et du sol.
Source : Travaux Universitaires - Thèse nouveau doctorat - 1996 [Note(s) : [252 p.]] (bibl.: 89 ref.) (Année de soutenance : 1996) (No : 96 ISAL 0044)
Langue : Français
Mots-clés anglais : Modeling ; Stability ; Mechanical deformation ; Strength ; Structure soil interaction ; Creep ; Reinforced concrete ; Mechanical properties ; Cracking ; Ageing ; Air cooled heat exchanger ; Cooling tower
Mots-clés français : Modélisation ; Stabilité ; Déformation mécanique ; Résistance mécanique ; Interaction sol structure ; Fluage ; Béton armé ; Propriété mécanique ; Fissuration ; Vieillissement ; Aéroréfrigérant ; Tour refroidissement
Mots-clés espagnols : Modelización ; Estabilidad ; Deformación mecánica ; Resistencia mecánica ; Interacción suelo estructura ; Fluencia ; Hormigón armado ; Propiedad mecánica ; Agrietamiento ; Envejecimiento ; Aerorefrigerante ; Torre enfriamiento
Localisation : INIST-CNRS, Cote INIST : T 141180, Nº notice refdoc (ud2m) : 14196695

Simulation numérique du soudage - acier 316L : validation sur cas tests de complexité croissante

Auteur : Lionel Depradeux
Directeur de thèse : J. F. Jullien
Affiliation de l'auteurs : Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, FRANCE
Résumé : Ce travail vise à la prédiction par simulation numérique des distorsions et contraintes résiduelles générées par une opération de soudage. Le cas particulier du soudage TIG sur acier 316L est considéré. Afin d’étudier de façon progressive les difficultés de modélisation qui doivent être pris en compte dans le cadre de la simulation numérique du soudage, une étude à la fois expérimentale et numérique est effectuée sur différents types d’essais de complexité croissante, allant d’un cas test uniaxial jusqu’à un cas test entièrement tridimensionnel. En premier lieu, des tests unidimensionnels sont effectués sur des spécimens pour lesquels les champs de température et de contraintes sont macroscopiquement homogènes dans la zone d’étude. Ce type de tests, très utile en vue de valider différentes lois de comportement, permet en outre l’étude du comportement thermomécanique de l’acier lorsque celui-ci est soumis à des cycles thermiques similaires à ceux qui interviennent dans la Zone Affectée Thermiquement lors d’une opération de soudage. Après quoi, des tests qui mettent en jeu des gradients de températures et de contraintes sont effectués sur des structures bi-dimensionnelles axi-symétriques, afin d’étudier les effets de structure et les problèmes liés à la présence d’une zone fondue. Enfin, un test plus représentatif d’une véritable opération de soudage, faisant intervenir une source de chaleur mobile, intègre les effets tridimensionnels. Des simulations numériques, conformes aux essais réalisés, sont réalisés en parallèle avec le logiciel d’éléments finis code_Aster (EDF). L’analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques pour chaque type de test permet de juger de l’aptitude du code de calcul utilisé à prédire distorsions et contraintes résiduelles, et des analyses paramétriques permettent d’étudier la sensibilité des résultats aux données matériau, à la loi de comportement utilisée, ou encore à la modélisation de l’apport de chaleur.
Langue : Français
Mots-clés français : Soudage, simulation numérique, acier inoxydable austénitique, 316L, TIG, apport de chaleur, propriétés mécaniques, propriétés thermiques

Vers une approche chimio-poro-visco-élastique du comportement au jeune âge des bétons

Auteur : Paul-Marie Michaud
Directeurs de thèse : J. Marchand et B. Bissonnette (Université Laval) ; J.M. Reynouard et J.F. Georgin (INSA de Lyon)
Affiliation de l'auteurs : Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, FRANCE
Résumé : La théorie des milieux poreux réactifs fermés est explorée pour modéliser le comportement au jeune âge des bétons pour des couplages chimio-poro-visco-élastiques. Le modèle est construit autour de l’hypothèse que la dépression capillaire est le principal mécanisme responsable du retrait d’autodessiccation (Hua et al. 1995). Ce retrait correspond à la réponse viscoélastique de la matrice solide vieillissante du milieu poreux sous l’action d’une contrainte de compression induite par la condensation capillaire. L’apparition d’une déformation de gonflement dans les premières heures qui suivent la prise du matériau ne peut être expliquée par un phénomène de dessiccation, car l’humidité relative décroît au fur et à mesure de l’évolution de la réaction d’hydratation. Les déformations endogènes (déformations libres du matériau en conditions isothermes, sans chargement extérieur et sans échange hydrique avec l’extérieur) sont donc définies comme la somme d’un gonflement chimique macroscopique dû à la réaction d’hydratation et d’un retrait d’autodessiccation. L’approche chimio-poro-visco-élastique développée dans cette étude pour analyser le comportement au jeune âge des bétons a plusieurs objectifs. Premièrement, une modélisation basée sur une approche de la mécanique des milieux poreux permet d’avoir une base rigoureuse à la compréhension des mécanismes qui ont une influence sur les déformations différées observées à l’échelle macroscopique. Le deuxième objectif consiste en la mise en place d’un outil qui fournit les bases nécessaires à une meilleure compréhension de l’influence de la composition du matériau sur le comportement au jeune âge des bétons. Ce rapport est divisé en quatre parties dont les deux premières font état des connaissances publiées dans la littérature scientifique qui permettront d’arriver à une modélisation basée sur une approche multi-échelles du problème. Les conditions de retrait restreint sont développées dans la troisième partie afin de montrer comment un essai R2D2 peut être analysé en vue d’une modélisation du comportement au jeune âge. La quatrième décrit les bases théoriques du modèle ainsi que l’identification des paramètres de ce dernier. Le rapport finit par une application de l’approche pour étudier l’influence du ciment et du rapport E/C sur le comportement au jeune âge des bétons.
Langue : Français
Mots-clés français : Milieu poreux, modèle prédictif, hydratation, fluage, propriétés mécaniques vieillissantes, autodessiccation, pression capillaire, distribution poreuse, contraction Le Chatelier

Etude du transfert de chaleur couplé conduction-rayonnement dans les mousses de Polystyrène expansé : Modélisation et caractérisation

Auteur : Rémi COQUARD
Directeur de thèse : Dominique BAILLIS
Affiliation de l'auteurs : Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, FRANCE
Résumé : Cette étude s’intéresse aux transferts de chaleur en régime permanent dans les mousses de Polystyrène Expansé (PSE) de faible densité. Ces matériaux sont principalement utilisés pour l’isolation thermique des bâtiments et possèdent une structure particulière. Etant donné leur très faible masse volumique, ils sont le siège d’un couplage entre transfert thermique par conduction et par rayonnement. Une première partie de l’étude a pour but de modéliser l’évolution de la conductivité thermique équivalente de ces mousses avec les différents paramètres qui la caractérisent (masse volumique, taille de cellules, taille de billes, porosité interbille). Pour cela, le couplage conduction-rayonnement en géométrie monodimensionnelle et l’équation du transfert radiatif sont résolus numériquement par la méthode des volumes de contrôle associée à la méthode des ordonnées discrètes. La conductivité phonique de ces matériaux est prédite en adaptant des modèles déjà existants. Par contre, les propriétés radiatives sont déterminées à partir des indices de réfraction du polystyrène en utilisant une méthode originale permettant de prendre en compte la structure complexe de ces mousses. Les résultats théoriques concernant les propriétés radiatives et la conductivité thermique équivalente des mousses de PSE sont validés à partir de mesures spectrométriques et de mesures flux métriques sur des échantillons que nous avons pu caractériser. Dans une deuxième partie, trois actions consistant à introduire des rupteurs de rayonnement au sein de l’isolant pour freiner la propagation du rayonnement et donc diminuer le transfert de chaleur par rayonnement sont analysées. Ces trois actions se différencient par l’échelle à laquelle les rupteurs agissent sur le transfert radiatif (échelle macroscopique, échelle microscopique, échelle mésoscopique). Dans chaque cas, la modélisation théorique nous permet de déterminer les caractéristiques des rupteurs maximisant la baisse de conductivité thermique équivalente des mousses. Les résultats sont ensuite validés à partir de mesures flux métriques montrant que des baisses sensibles de la conductivité thermique équivalente peuvent être obtenues en utilisant ces actions. Enfin, dans une dernière partie nous nous intéressons à l’application des méthodes de mesure classiques de la conductivité équivalente au cas des mousses de PSE. Ces méthodes de mesure sont basées sur l’hypothèse d’un transfert de chaleur purement conductif. Nous montrons donc les limites de chacune de ces méthodes dans le cas de matériau où le transfert de chaleur par rayonnement est non négligeable.
Source : Travaux Universitaires - Thèse nouveau doctorat - 2004 [Note(s) : [300 p.]] (bibl.: 89 ref.) (Année de soutenance : 2004)
Langue : Français
Mots-clés anglais : Expanded Polystyrene Foams, heat transfer, conduction, radiation, opacifier
Mots-clés français : Mousses de Polystyrène Expansé, transfert thermique, conduction, rayonnement, opacifieur

Développement d'essais de ballonnement instrumentés pour la caractérisation et la simulation du fluage secondaire de gaines en Zr-4 dans des conditions thermomécaniques représentatives d'un APRP

Auteur : Damien CAMPELLO
Directeur de thèse : Marie Christine BAIETTO
Affiliation de l'auteurs : Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, FRANCE
Résumé : L'étude réalisée au cours de cette thèse s'intéresse au fluage secondaire de gainages de Zircaloy-4 détendu dans des conditions représentatives d'un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) dans le circuit primaire d'un réacteur à eau pressurisée. Elle s'intègre dans le cadre du projet ANR PERFROI. Ce travail s'articule autour de trois axes que sont la conception d'essais de fluage à haute température et en pression interne sur des gaines, leur réalisation et exploitation, la modélisation de ces essais et la caractérisation du comportement au fluage secondaire de cet alliage, et l'étude du fluage secondaire d'éprouvettes de Zr-4 pré-oxydées à 425 °C pour obtenir une couche de zircone de 10 µm en surfaces interne et externe.
Le banc d'essai développé au cours de la thèse de N. TARDIF a été modifié dans le but de réaliser des essais représentatifs d'un APRP sur des gaines de Zr-4 d'une hauteur de 90 mm. Les températures d'intérêt vont de 750 à 850 °C et les pressions internes de 1,2 à 5 MPa sur ces essais. Le système de chauffage par induction et sa géométrie sont couplés au refroidissement des mors pour obtenir un chargement thermique hétérogène sur la hauteur des éprouvettes. En réalisant plusieurs chargements en pression interne pour une gamme en température donnée, les conditions thermo-mécaniques appliquées à la gaine au cours d'un seul essai sont multiples. La géométrie de l'inducteur permettant un accès visuel à l'éprouvette sur une hauteur de 20 mm, les essais sont instrumentés de manière à mesurer les distributions cinématique et thermique dans cette région. Une mesure des déplacements (axial et circonférentiel) par Corrélation d'Images Numériques 2D est réalisée sur les tubes permettant de calculer les vitesses de fluage secondaire. Les températures sont évaluées par thermographie proche infrarouge (avec des caméras CCD) couplée à des mesures ponctuelles par thermocouple. Ces deux méthodes d'analyse d'images numériques clés du dispositif ont été validées sur des essais dédiés.
Les essais sont modélisés sous le logiciel commercial ABAQUS6.11-2. Un recalage d'une loi de fluage secondaire est réalisé, par des calculs éléments finis, de manière à en déterminer les paramètres (coefficient multiplicateur A, exposant de Norton n, et énergie d'activation Q) pour être le plus proche possible des grandeurs mesurées. Cette méthode est validée avec un essai virtuel puis appliquée à 9 essais réalisés sur des échantillons de Zr-4 vierge. Les résultats permettent de déterminer à la fois l'influence de la température et du chargement mécanique de manière fine pour la gamme de température et pression souhaitée. Les résultats mettent en évidence un changement brutal de comportement à une température de 810 °C, correspondant au début de la transition de la phase αvers un matériau biphasé α+β. De plus, les exposants de Norton identifiés dans le domaine α pour des contraintes inférieures à 25 MPa sont de l'ordre de l'unité, et entre 4 et 5 pour les contraintes supérieures. Ces ordres de grandeurs sont respectivement associés dans la littérature à des mécanismes de fluage par diffusion et dislocation. Au-dessus de 810 °C, les caractéristiques associées dans la littérature à la superplasticité sont mis en évidence : l'exposant de Norton est compris entre 2,5 et 3,5 et l'énergie d'activation est supérieure à 300 kJ/mol.
Des essais sont enfin menés sur des éprouvettes seulement pré-hydrurées, puis pré-oxydées et pré-hydrurées. Les mesures réalisées pendant ces essais sont associées à des métallographies pour mettre en évidence l'effet des couches de zircone et de α(O) sur la déformation de la gaine à 800 °C.
Année de soutenance : 2016
Langue : Français
Mots-clés français : Zircaloy-4, Thermographie PIR, CIN, Fluage, Ballonnement
Mots-clés anglais : Zircaloy-4, NIR Thermography, DIC, Creep, Ballooning

Etude de la fatigue des roulements hybrides en conditions de fonctionnement aggravées

Auteur : Corentin ROBITAILLE
Directeur de thèse : Daniel NELIAS
Affiliation de l'auteurs : Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, FRANCE
Résumé : Ce travail est consacré à l’étude de la fatigue des roulements hybrides (Si3N4 / M50 Duplex) soumis à des sollicitations extrêmes. Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement expérimental du M50 cémenté et du M50 Duplex sollicités en fatigue de roulement en présence d’indentation artificielle, dans le cas d’un contact hybride. Nous avons alors pu mettre en évidence le rôle prépondérant du glissement et nous avons pu caractériser et localiser l’endommagement relatif à ces conditions extrêmes. Aussi deux études portant sur la fissuration des éléments M50 Duplex, fissures radiales en bord d’indent, et sur la fissuration des éléments céramique Si3N4, sous forme de C-Cracks, ont été réalisées et ont permis d’évaluer la résistance de ces matériaux en sollicitation aggravée. Dans une seconde étape, nous avons mis au point une méthode d’évaluation du gradient de plasticité par mesure de la micro-dureté qui nous a permis de caractériser le M50 Duplex dans la zone de diffusion de la nitruration. Le processus d’indentation a alors été simulé par le logiciel éléments finis ABAQUS. Ces simulations ont permis d’analyser les mécanismes responsables de la fissuration des indents sur M50 Duplex. Enfin une étude numérique tridimensionnelle du roulement sur indent a été réalisée via le code semi-analytique ISAAC, développé au laboratoire LAMCOS de l’INSA Lyon. Cette étude a permis d’évaluer le cycle de chargement au voisinage d’indents sollicités en fatigue de roulement. L’application du critère de Dang Van à ce cycle de sollicitation a alors permis de donner des indications quant à la prédiction de l’endommagement au voisinage d’indent
Année de soutenance : 2016
Langue : Français

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