Simulation of continuous damage and fracture in metal-forming processes with 3D mesh adaptive methodology

par Fangtao Yang

Thèse de doctorat en Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (UMR-7337)

Sous la direction de Carl Labergère et de Alain Rassineux.

Soutenue le 10-11-2017

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Simulation numérique d’endommagement continu et de fissure dans les procédés de mise en forme de métal avec 3D maillage méthodologie adaptatif


  • Résumé

    Ces travaux s'inscrivent dans le cadre des recherches menées dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire Roberval de l'Université de Technologie de Compiègne et l'équipe dans le cadre du projet ANR-14-CE07-0035 LASMIS de l'Institut Charles Delaunay de l'Université de Technologie de Troyes. Nous présentons dans ces travaux une h-méthodologie adaptative tridimensionnelle des éléments finis afin de représenter l'initiation et la propagation des fissures dans des matériaux ductiles. Un modèle élasto-plastique couplé à l'endommagement isotrope proposé par l'équipe du LASMIS/UTT est utilisé. Les applications visées à terme concernent principalement la mise en forme des métaux. Dans ce contexte, une formulation Lagrangienne actualisée est employée et des remaillages fréquents s'avèrent essentiels afin d'une part d'éviter les fortes distorsions d'éléments dues aux grandes déformations plastiques et d'autre part de suivre les modifications de la topologie résultant de la création de fissures. La taille du nouveau maillage doit permettre à moindre coût représenter avec précision l'évolution des gradients des quantités physiques représentatives des phénomènes étudiées (plasticité, endommagement...). Nous proposons des indicateurs empiriques de taille d'éléments basés sur la déformation plastique ainsi que sur l'endommagement. Une courbe définie par morceau représente l'évolution de la taille d'élément suivant la sévérité de la plasticité et le cas échéant de l'endommagement. Les fissures sont représentées par une méthode de destruction d'éléments qui permet une description aisée de la géométrie de ces dernières et une gestion simplifiée de la fissuration sans nul besoin de critères additionnels. En revanche, pour permettre une description réaliste des fissures, ces dernières doivent être représentées par l'érosion des éléments de plus petite taille. Un solveur ABAQUS/Explicit® est utilisé avec des éléments tétraédriques quadratiques (C3D10M) évitant notamment les problèmes de verrouillage numérique survenant lors de l'analyse de structures en matériau compressible ou quasi-incompressible. Le contrôle de la plus petite taille du maillage est important dans un contexte explicite. De surcroît, pour les phénomènes adoucissant, la solution dépend de la taille de maille considérée alors comme un paramètre intrinsèque. Une étude nous a permis de constater que lorsque le maillage est suffisamment raffiné, les effets de la dépendance au maillage se réduisaient. Dans la littérature, les coûts de maillage ou de remaillage fréquents sont souvent considérés comme prohibitifs et de nombreux auteurs s'appuient sur cet argument pour introduire, avec succès certes, des méthodes alternatives qui limitent le coût des opérations de remaillage sans toutefois les éliminer (XFEM par exemple). Nos travaux montrent que le coût d'un remaillage local est négligeable par rapport au calcul. Compte tenu de la complexité de la géométrie et de la nécessité de raffiner le maillage, la seule alternative à ce jour est d'utiliser un mailleur en tétraèdres. La stratégie de remaillage local en tétraèdre s'appuie sur une méthode de bisection suivie si nécessaire d'une optimisation locale du maillage proposé par A. Rassineux en 2003. Le remaillage, même local, doit s'accompagner de procédures de transfert de champ des variables nodales et aux points d'intégration. Les variables nodales sont, comme le fait la plupart des auteurs, transférées en utilisant les fonctions de forme éléments finis. Le transfert de champ en 3D aux points de Gauss et les nombreux problèmes sous-jacents ont été relativement peu abordés dans la littérature.


  • Résumé

    This work is part of the research carried out in the framework of a collaboration between the Roberval laboratory of the Compiègne University of Technology and the team within the framework of the project ANR-14-CE07-0035 LASMIS of the Charles Delaunay Institute of Technology University of Troyes. In this work, we present a three-dimensional adaptive Pi-methodology of finite elements to represent the initiation and propagation of cracks in ductile materials. An elastoplastic model coupled with the isotropic damage proposed by the LASMIS / UTT team is used. The targeted applications will mainly concern the metal forming. In this context, an updated Lagrangian formulation is used and frequent remeshing is essential in order to avoid the strong distortion of elements due to large plastic deformations and to follow the modifications of the topology resulting in the creation of cracks. The size of the new mesh must allow at a lower cost to accurately represent the evolution of the gradients of the physical quantities representative of the studied phenomena (plasticity, damage ...). We propose empirical indicators of size of elements based on the plastic deformation as well as on the damage. A piecewise defined curve represents the evolution of the element size according to the severity of the plasticity and, if appropriate, the damage. The cracks are represented by a method of destruction of elements which allows an easy description of the geometry and a simplified treatment of the cracking without any need for additional criteria. On the other hand, to allow a realistic description of the cracks, the latter must be represented by erosion smaller elements. An ABAQUS / Explicit@ solver is used with quadratic tetrahedral elements (C3DIOM), avoiding in particular the problems of numerical locking occurring during the analysis of structures in compressible or quasi-incompressible material. The control of the smaller mesh size is important in an explicit context. In addition, for softening phenomena, the solution depends on the mesh size considered as an intrinsic parameter. A study has shown that when the mesh is sufficiently refined, the effects of mesh dependence are reduced. In the literature, the costs of frequent meshing or remeshing are often considered prohibitive and many authors rely on this argument to introduce, with success, alternative methods that limit the cost of remeshing operations without eliminating them ( XFEM for example). Our work shows that the cost of local remeshing is negligible compared to the calculation. Given the complexity of the geometry and the need to refine the mesh, the only alternative to date is to use a mesh in tetrahedra. The strategy of local remeshing tetrahedron is based on a bisection method followed if necessary by a local optimization of the grid proposed by A. Rassineux in 2003. The remeshing, even local, must be accompanied by field transfer procedures on both nodal variables and integration points. Node variables are, as most authors do, transferred using finite element shape functions. The 3D field transfer at Gauss points and the many underlying problems have been relatively untouched in the literature. The main difficulties to be solved in order to ensure the "quality" of the transfer concern the limitation of numerical diffusion, the lack of information near borders, the respect of boundary conditions, the equilibrium, the calculation costs, the filtering of the information points, crucial problems in 3D where the number of Gauss points used is several hundred. We propose a so-called "hybrid" method which consists, initially, in extrapolating the data at the Gauss points, in the nodes by diffuse interpolation and then in using the finite element form functions to obtain the value at the point considered.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.