Sur une approche isogéométrique pour problèmes multi-champs couplés en grandes transformations

par Lei Zhang

Thèse de doctorat en Mécanique des Solides

Sous la direction de Dominique Eyheramendy.

Soutenue le 05-12-2016

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique et d'acoustique (Marseille) (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille] / LMA (laboratoire) .

Le jury était composé de Salim Bouabdallah, Marc Medale.

Les rapporteurs étaient Thomas Elguedj, Jean-Claude Léon.


  • Résumé

    La méthode isogéométrique (IGA) récemment proposée en tant que méthode numérique générique offre de réelles perspectives dans l’unification des modèles géométriques et computationnel. La méthode isogéométrique est intiment liée à la méthode des éléments finis (FEM) étant donné que la méthode est basée sur le même cadre variationnel. Cette méthode a montré dans de nombreuses circonstances de très bonne qualités numériques notamment avec des maillages grossiers (précision numérique, capacité à supporter de grandes déformations…). Notre objectif final dans ce travail est de fournir un environnement de base, numérique et logiciel, pour la simulation de problèmes à champs et physiques multiples pour des pièces élastomériques de type industriel. Dans ce contexte, les points numériques à développer pour l’IGA sont le traitement de l’incompressibilité et le caractère multi-champs du problème thermique dans la formulation de Galerkin. Ainsi dans ce travail nous proposons en premier, un paradigme objet de l’IGA intégré au sein d’une architecture orientée objet en Java, initialement con?ue pour résoudre des problèmes multi-champs couplés en transformations finies. L’approche proposée s’appuie pleinement sur le contexte variationnel existant dans le code dans le cadre des éléments finis pour réduire les développements pour MEF et IGA (une formulation développée en IGA tourne en MEF et vice versa). Dans un second temps, nous avons étudié le problème de l’incompressibilité pour notamment réduire le verrouillage numérique existant toujours sur l’IGA standard. Par un souci de simplicité, nous adoptons des formulations mixtes à 2 champs (déplacement/pression). Afin d’essayer de satisfaire la condition inf-sup en relachant la contrainte sur le déplacement, nous avons développé deux idées de la littérature (naturelle en NURBS) qui consiste à soit dupliquer une fois les n?uds intérieurs du patch des déplacements ou subdiviser les éléments du patch des déplacements. Nous avons étendu ce type d’éléments aux transformations finies. Enfin, et de manière originale, nous avons adopté la même stratégie pour les problèmes à 2-champs pour la thermomécanique. Différentes simulations à petites et grandes déformations confirment le potentiel de l’approche. Enfin, nous évaluons l’ensemble sur un modèle quasi-incompressible thermo-visco-élastique de type Zener sur des éprouvettes classiques dans un contexte physique complexe.

  • Titre traduit

    An isogeometric analysis approach for coupled multi-field problems at large strain


  • Résumé

    Recently proposed as a general purpose numerical method, the Isogeometric Analysis (IGA) offers great perspective to bridge the gap between CAD and CAE. The IGA is closely related to the finite element method (FEM) as the method is based on the same variational framework. Moreover, this method has shown in many circumstances to be have a better accuracy than the FEM (large mesh distortions…). Our final aim in this work is to simulate complex multiphysics problems for elastomers industrial parts. As matter of fact, the two main numerical issues in this context is the incompressibility/quasi-incompressibility of the material and the thermochemical coupling in Galerkin formulations. First, we propose, a programming paradigm of the IGA in an existing Java object-oriented hierarchy initially designed for solving multi-fields coupled problems at finite strains. We develop an approach that fully take benefit of the original architecture to reduce developments for both FEM and IGA (one problem developed in FEM can be run in IGA and vice versa). Second, we investigate volumetric locking issues persisting for low order NURBS element observed with standard displacement formulation as finite elements. To cure the problem, we adopt two-fields mixed formulation (displacement/pressure) for the sake of simplicity and target at assessing different discretizations in stability (inf-sup condition). The basic idea is to first to increase the internal knot’s multiplicity or to subdivide the patch for displacements. These ideas that are directly inspired from patches properties, have been found in the literature for the Stokes problem and extended to large strain in solid mechanics. The comparison between the two-fields mixed formulation and a strain projection method is lead at small and large strains. At last, we originally adopt a similar strategy for thermomechanical problem at small and large strains. In the context two-fields formulation, displacement/temperature, the LBB stability condition must be fulfilled to guaranty stability. Thus, we investigate the choices of patches for two-fields formulation displacement/temperature fields for IGA applied to thermoelasticity. Several numerical results for thermomechanical problems at small and finite strains, linear and nonlinear have been presented. At last, an incompressible viscous thermo-hyperelastic model is evaluated in the IGA framework with the proposed approach.


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