Contribution to the improvement of meshless methods applied to continuum mechanics

par Gabriel Fougeron

Thèse de doctorat en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Denis Aubry et de Guillaume Pierrot.

Le jury était composé de Ludovic Chamoin, Anargiros Kamoulakos.

Les rapporteurs étaient Piotr Breitkopf, Nicolas Moës.


  • Résumé

    Cette thèse présente un cadre général pour l’étude de schémas de discrétisation nodaux sans maillageformulé en termes d’opérateurs discrets définis sur un nuage de points : intégration volumique et de bord, gradientet opérateur de reconstruction. Ces définitions dotent le nuage de points d’une structure plus faible que celledéfinie par un maillage, mais partageant avec elle certain concepts fondamentaux. Le plus important d’entre euxest la condition de compatibilité intégro-différentielle. Avec la consistance linéaire du gradient discret, cet analoguediscret de la formule de Stokes constitue une condition nécessaire à la consistance linéaire des opérateurs elliptiquesen formulation faible. Sa vérification, au moins de manière approchée, permet d’écrire des discrétisations dont le tauxde convergence est optimal. La construction d’opérateurs discrets compatibles est si difficile que nous conjecturons– sans parvenir à le démontrer – qu’elle nécessite soit la résolution d’un système linéaire global, soit la constructiond’un maillage : c’est "la malédiction sans-maillage". Trois grandes approches pour la construction d’opérateursdiscrets compatibles sont étudiées. Premièrement, nous proposons une méthode de correction permettant de calculerl’opérateur gradient compatible le plus proche – au sens des moindres carrés – sans mettre à mal la consistancelinéaire. Dans le cas particulier des gradients DMLS, nous montrons que le gradient corrigé est en réalité globalementoptimal. Deuxièmement, nous adaptons l’approche SFEM au cadre opérateur et constatons qu’elle définit desopérateurs consistants à l’ordre un et compatibles. Nous proposons une méthode d’intégration discrète exploitantla relation topologique entre les cellules et les faces d’un maillage qui préserve ces caractéristiques. Troisièmement,nous montrons qu’il est possible de générer tous les opérateurs sans maillage rien qu’avec la donnée d’une formuled’intégration volumique nodale en exploitant la dépendance fonctionnelle des poids volumiques nodaux par rapportà la position des noeuds du nuage, l’espace continu sous-jacent et le nombre de noeuds. Les notions de consistance desdifférents opérateurs sont caractérisées en termes des poids volumiques initiaux, formant un jeu de recommandationpour la mise au point de bonnes formules d’intégration. Dans ce cadre, nous réinterprétons les méthodes classiquesde stabilisation de la communauté SPH comme cherchant à annuler l’erreur sur la formule de Stokes discrète.L’exemple des opérateurs SFEM trouve un équivalent en formulation volume, ainsi que la méthode d’intégrationdiscrète s’appuyant sur un maillage. Son écriture nécessite toutefois une description très précise de la géométriedes cellules du maillage, en particulier dans le cas où les faces ne sont pas planes. Nous menons donc à bienune caractérisation complète de la forme de telles cellules uniquement en fonction de la position des noeuds dumaillage et des relations topologiques entre les cellules, permettant une définition sans ambigüité de leur volume etcentre de gravité. Enfin, nous décrivons des schémas de discrétisation d’équations elliptiques utilisant les opérateurssans-maillage et proposons plusieurs possibilités pour traiter les conditions au bord tout en imposant le moinsde contraintes sur la position des noeuds du nuage de points. Nous donnons des résultats numériques confirmantl’importance capitale de vérifier les conditions de compatibilité, au moins de manière approchée. Cette simple recommandation permet dans tous les cas d’obtenir des discrétisations dont le taux de convergence est optimal.

  • Titre traduit

    Contribution à l’amélioration des méthodes sans maillage appliquées à la mécanique des milieux continus


  • Résumé

    This thesis introduces a general framework for the study of nodal meshless discretization schemes. Itsfundamental objects are the discrete operators defined on a point cloud : volume and boundary integration, discretegradient and reconstruction operator. These definitions endow the point cloud with a weaker structure than thatdefined by a mesh, but share several fundamental concepts with it, the most important of them being integrationdifferentiationcompatibility. Along with linear consistency of the discrete gradient, this discrete analogue of Stokes’sformula is a necessary condition to the linear consistency of weakly discretized elliptic operators. Its satisfaction, atleast in an approximate fashion, yields optimally convergent discretizations. However, building compatible discreteoperators is so difficult that we conjecture – without managing to prove it – that it either requires to solve a globallinear system, or to build a mesh. We dub this conjecture the "meshless curse". Three main approaches for theconstruction of discrete meshless operators are studied. Firstly, we propose a correction method seeking the closestcompatible gradient – in the least squares sense – that does not hurt linear consistency. In the special case ofMLS gradients, we show that the corrected gradient is globally optimal. Secondly, we adapt the SFEM approachto our meshless framework and notice that it defines first order consistent compatible operators. We propose adiscrete integration method exploiting the topological relation between cells and faces of a mesh preserving thesecharacteristics. Thirdly, we show that it is possible to generate each of the meshless operators from a nodal discretevolume integration formula. This is made possible with the exploitation of the functional dependency of nodal volumeweights with respect to node positions, the continuous underlying space and the total number of nodes. Consistencyof the operators is characterized in terms of the initial volume weights, effectively constituting guidelines for thedesign of proper integration formulae. In this framework, we re-interpret the classical stabilization methods of theSPH community as actually seeking to cancel the error on the discrete version of Stokes’s formula. The example ofSFEM operators has a volume-based equivalent, and so does its discrete mesh-based integration. Actually computingit requires a very precise description of the geometry of cells of the mesh, in particular in the case where its facesare not planar. We thus fully characterize the shape of such cells, only as a function of nodes of the mesh andtopological relations between cells, allowing unambiguous definition of their volumes and centroids. Finally, wedescribe meshless discretization schemes of elliptic partial differential equations. We propose several alternatives forthe treatment of boundary conditions with the concern of imposing as few constraints on nodes of the point cloudas possible. We give numerical results confirming the crucial importance of verifying the compatibility conditions,at least in an approximate fashion. This simple guideline systematically allows the recovery of optimal convergencerates of the studied discretizations.


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