Simulation non-intrusive à deux échelles de pièces industrielles avec des détails structuraux issus de tomographies

par Maxence Wangermez

Projet de thèse en Mécanique des solides

Sous la direction de Olivier Allix et de Pierre-Alain Guidault.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LMT - Laboratoire de mécanique et de technologie (laboratoire) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Cachan, Val-de-Marne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    Un des objectifs prioritaires des industries aéronautiques est la réduction de la masse des structures et l'augmentation de leurs performances. Ceci passe notamment par l'utilisation de matériaux composites et le recours croissant à la simulation numérique permettant la minimisation du nombre d'essais physiques et l'optimisation des structures. A titre d'exemple, les progrès sur le nouveau moteur de CFM International (General Electric et Safran), le LEAP, ont pu être réalisés entre autres en utilisant des matériaux composites tissés 3D pour les aubes de soufflante. Plus durables, moins nombreuses que dans le cas des moteurs CFM56 (18 contre 24 à 36), elles permettent un gain de masse de près de 450 kg. Ces gains ont également nécessité un recours intensif à la simulation numérique afin d'optimiser leur forme. L'enjeu des travaux est de pouvoir calculer précisément, sur des matériaux-structures tissés à architecture 3D, l'influence du tissage, mesurés par exemple par tomographie, et modélisés directement à partir de celle-ci, sur la tenue de pièces en composite tissés. Pour tenir compte à la fois de l'ensemble de la pièce et des effets de son chargement, une approche multi-échelle semble naturelle tant du point de vue des méthodes de calcul que des modèles matériaux utilisés. En effet, la tenue des structures composites est déterminée par la détérioration plus ou moins progressive du matériau à différentes échelles : macroscopique, mésoscopique ou même microscopique. Les modèles respectivement associés à ces échelles utilisent des formalismes potentiellement différents. Quelle que soit la méthode envisagée, il s'agit, in fine, de coupler un modèle EF continu non-linéaire, correspondant à une géométrie macrostructurale, avec un modèle adapté de façon précise à la géométrie mésoscopique issue de tomographies avec des zones susceptibles d'être critiques. Le développement de méthodes et outils de couplage de tels modèles de manière intrusive présente l'inconvénient majeur de restreindre fortement leur utilisation et donc leur diffusion dans les bureaux d'étude. Une approche alternative et flexible bien adaptée au problème traité dans ses principes est celle des méthodes de couplage non-intrusives. L'enjeu de ces méthodes est de permettre l'utilisation d'un code standard pour traiter n'importe quel problème de structure en conjonction avec des outils adaptés, non nécessairement inclus dans le code, pour les zones critiques. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'être à même de remplacer, de façon non intrusive, une partie quelconque du modèle élément fini global (macroscopique) par un modèle local (mésoscopique) issu par exemple d'une mesure par tomographie ou de toute autre technique. Par rapport aux travaux précédemment menés sur ces méthodes de couplage plusieurs verrous sont à lever tels que la définition du couplage des modèles elle-même et la possibilité d'en obtenir d'une formulation non-intrusive, les traitements numériques pour des maillages fortement hétérogènes, la résolution itérative de problème avec endommagement aux deux échelles, etc.

  • Titre traduit

    Two-scale non-intrusive simulations of large structures with tomographic details


  • Résumé

    Two of the top priorities of the aircraft industry are the reduction in structure weight and the improvement of their performances. In particular, it goes through the use of composite materials and the growing use of numerical simulation leading to the minimization of physical tests and the optimization of the structures. By way of an example, progress on the new engine of International CFM (General Electric and Safran), the LEAP, was realized, among others, through the use of woven composite materials 3D for the fan blades. They are more durable, fewer than in the case of CFM56 engines (18 compared with 24 to 36) and allow a weight reduction of almost 450 kg. These upgrades also required an intensive use of numerical simulation in order to optimize their form. The major challenge of this project is to be able to accurately calculate the local variations of the weaving - detected by tomography and directly modelled from tomogram - on the behavior of blades constructed from carbon composite material. In order to take into account the whole structure and its load effects, a multi-scale approach seems to be natural choice. Indeed, the behavior of composite structures is led by the progressive mechanical damage on various scales: macroscopic, mesocopic or even microscopic. The related models might use different formalisms according to each scale. Whatever the method considered, the final question is tying a non-linear continuous finite element model related to a macrostructural geometry with an adapted, complex model of a mesoscopic geometry issued of tomography and containing critical zones. Development of coupling methods and tools for such models, in an intrusive way presents the major drawback of strongly restrict their use and their diffusion in design offices. The non-intrusive coupling methods are flexible and well adapted to these kinds of problems. These methods aim to use a common language in order to deal with any structural problem in conjunction with adapted tools - not necessarily included in the code - for the critical zones. In this context, the objective of the thesis is to be able to replace, in a non-intrusive way, a part of the total (macroscopic) finite element model by a local (mesoscopic) model, issued for example from a tomogram or any other technique. Compared to the state of the art on these coupling methods, major issues remain to be studied, such as the definition of the coupling technique itself and its non-intrusive formulation, the numerical processing of strongly heterogeneous meshes, the iterative calculations of problems with damage on two scales, etc.