Méthodes d'accélérations numériques dédiées à la fissuration en fatigue à grand nombre de cycle par champ de phase

Doctorant : Adrien JACCON

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

La prédiction de l'initiation et de la propagation de fissure de fatigue dans les structures constitue un enjeu majeur de l'industrie, qui cherche à limiter les approches habituellement conservatives pour diminuer les coûts, optimiser les formes, et garantir l'intégrité des structures sur des durées plus longues. Un nombre important de méthodes numériques peuvent être exploité dans ce contexte, et notamment l'approche champ de phase, qui bénéficie d'une grande flexibilité pour traiter des cas de fissuration complexe, et considérer l'initiation et la propagation de fissure de façon unifiée. Cependant, le coût numérique associé à l'application de ce modèle sur des cas réels est aujourd'hui trop important et limite donc son application à des cas académiques. L'objectif de ce mémoire est de proposer plusieurs approches d'accélération pour diminuer ce coût de calcul prohibitif, tout en maintenant le niveau de précision et de robustesse, dans le but de rendre possible l'application sur des cas réels du modèle champ de phase.
Pour ce faire, un modèle champ de phase étendu en fatigue est implémenté dans le code éléments finis Cast3M. Une approche par dégradation de la ténacité est choisie et validée sur plusieurs cas usuels de la littérature champ de phase. Par ailleurs, une nouvelle méthode de décomposition de l'énergie est également mise en place, permettant d'en améliorer l'efficacité et la robustesse. Nous proposons ensuite plusieurs modifications de cette implémentation initiale qui permet d'accélérer les calculs. D'abord, le calcul de cycle est optimisé à travers l'introduction d'un schéma de résolution étagée adapté au cadre en fatigue. Ensuite, nous introduisons plusieurs schémas de saut de cycle permettant de minimiser le nombre de cycles calculés. Enfin, une approche de raffinement adaptatif de maillage est mise en place, afin de permettre d'optimiser le nombre de degrés de liberté pris en compte pendant la simulation. Ces outils répondent en fait aux différentes raisons pour lesquelles le coût de calcul du modèle champ de phase en fatigue est prohibitif: la résolution d'un problème non-linéaire, sur un nombre très important de cycles, avec un maillage extrêmement fin dans la zone endommagée.
Ce cadre champ de phase accéléré est ensuite exploité sur plusieurs cas académiques usuels pour valider son implémentation, et montrer les gains en temps de calcul possibles. Puis, deux cas de comparaisons numériques-expérimentales utilisant l'approche accélérée sont proposés. Ces essais mettent en évidence les capacités du modèle accéléré tout en soulignant d'autres difficultés liées à l'application du modèle sur des cas réels.

A Quantitative Approach to EHD Friction Prediction Based on Rheometry and Molecular Dynamics Simulations

Doctorant : Ruibin XU

Laboratoire : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Cette thèse présente une approche quantitative de la prédiction du frottement élastohydrodynamique (EHD), basée sur une combinaison de données expérimentales de rhéométrie et de simulations de dynamique moléculaire (MD). L'approche est appliquée à deux fluides de natures différentes : un lubrifiant, le squalane (SQ), et un fluide de type traction, le benzoate de benzyle (BB). La viscosité newtonienne des fluides est déterminée en utilisant des mesures de viscosimètres à haute pression (HPV) tirées de la littérature, ainsi qu'un nouveau modèle de viscosité newtonienne proposé dans ce travail, basé sur un modèle de mise à l'échelle thermique existant dans la littérature. Par la suite, une loi de contrainte d'Eyring complète, couvrant une large gamme de conditions de température et de pression, est construite à partir de simulations de dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD). La viscosité newtonienne obtenue et la contrainte d'Eyring sont utilisées pour construire des modèles de viscosité généralisée de type Eyring pour les deux fluides. Celles-ci sont implémentées dans un modèle à éléments finis (FE) d'un contact lubrifié dans le régime élastohydrodynamique, en prenant en compte les effets non- Newtoniens et thermiques (TEHLnN) pour la prédiction du frottement. Les résultats sont comparés avec des mesures de frottement effectuées dans un tribomètre sous les mêmes conditions de contact et montrent une bonne concordance. Notamment, le plateau de frottement et le régime d'amincissement thermique observés expérimentalement sont reproduits avec précision par le modèle TEHLnN. Des recherches supplémentaires ont été menées pour étudier l'origine des plateaux de frottement. Les résultats suggèrent que les plateaux de frottement résultent d'une combinaison d'effets non-Newtoniens et thermiques. Les travaux révèlent également que l'effet thermique se produit presque simultanément avec l'effet non newtonien. Ce travail représente une étape cruciale vers une prédiction quantitative du frottement, en rassemblant la rhéométrie expérimentale, les simulations de dynamique moléculaire et la modélisation du contact.

 

 

 

Gazéification en lit fixe co-courant : étude des transitoires

Doctorante : Janett RUIZ

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

La gazéification de combustibles alternatifs permet la production locale et non- intermittente d’énergie renouvelable et peut devenir une contribution majeure à la transition énergétique et à la promotion de l’économie circulaire et territoriale. Les réacteurs à lit fixe co-courant sont les mieux adaptés aux enjeux territoriaux liés à la valorisation des déchets. Dans ces réacteurs, le taux de conversion est élevé mais la conversion homogène du combustible est difficile à atteindre et représente une barrière à leur utilisation à des performances optimales. Dans ce contexte, le projet ECoGaz (valorisation Énergétique de COmbustibles alternatifs issus de déchets par GAZéification) vise à accroître les connaissances afin de développer l’utilisation de la gazéification pour la conversion de combustibles alternatifs dans ces réacteurs. Ainsi, le principal objectif de ce travail de thèse est de proposer un modèle numérique fiable de gazéification en lit fixe co-courant permettant de représenter avec justesse la conversion de combustibles complexes. Dans le modèle développé dans cette thèse, les phénomènes réactionnels fortement couplés à l’écoulement de la phase gaz et aux phénomènes de transfert thermique dans le milieu poreux sont simulés de manière satisfaisante. Le tassement a été pris en compte. Le caractère 2D du modèle permet d’observer et de comprendre des phénomènes difficiles à mesurer. Ces informations peuvent être précieuses pour comprendre certains dysfonctionnements des réacteurs à lit fixe. De plus, ce modèle pourrait être utilisé comme outil de dimensionnement du réacteur. L’influence de plusieurs paramètres opératoires pourrait être étudiée, tels que le diamètre du réacteur, la composition de l’agent oxydant, le ratio équivalent ou l’emplacement de l’injection. D’autre part, la composition du combustible, et le diamètre des particules sont des paramètres d’entrée du modèle, qui permettent l’étude de différents intrants hétérogènes afin de valider la faisabilité de leur conversion dans un réacteur à lit fixe co-courant.

 

Study of Creep Fatigue Mechanical Characteristics and Constitutive Model of Salt Rock

Doctorant : Zongze LI

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

To meet the requirements of the United Nations Framework Convention on Climate Change, i.e., the Paris Agreement, countries around the world have developed carbon- peaking and carbon-neutral action programs. The use of renewable energy sources is an effective means of meeting this requirement. Because salt rock has good rheology, low porosity, low permeability and damage self-healing characteristics, compressed air energy storage using salt caverns is an effective way to enhance the efficiency of renewable energy use. Considering the operational requirements for load balancing in compressed air energy storage plants, the surrounding rock of salt cavern reservoirs is subjected to discontinuous cyclic loading with varying gas injection rates and pressures. Through a combination of theoretical analysis, laboratory experiments, and model studies, this research investigated the fatigue-damage mechanical characteristics of salt rocks under different loading rates, the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks with varying high-stress interval times, and the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks under different confining pressures. Additionally, the impact of different stress levels on the creep-fatigue damage evolution of salt rocks was monitored and analyzed using acoustic emission devices. Long-term creep-fatigue tests on salt rocks were conducted based on the actual frequency of load balancing in compressed air energy storage plants. The reasons and patterns of the salt rock's interaction between creep and fatigue under different conditions were analyzed. Based on the consideration of the creep-fatigue interaction in salt rocks, a state variable-based creep-fatigue constitutive model for salt rocks was proposed and established, and its validity was verified. The research findings provide important guidance for ensuring the stability of salt cavern reservoirs.

Sustainability of industrial heat decarbonisation strategies through 4E (energy, exergy, economic and environmental) optimisation

Doctorant : Yoann JOVET

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Ces travaux ont pour but d’évaluer la performance annuelle globale de différentes solutions de production de chaleur industrielle, par une méthode multicritère 4E (énergie, exergie, économie et environnement). Au-delà de cette évaluation, le travail proposé porte également sur le développement d’une méthode originale permettant de prendre en compte les limites planétaires dans la prise de décision visant à remplacer un moyen de production (généralement chaudières à gaz) par une solution moins carbonée.
L’atteinte de cet objectif a conduit au développement d’un modèle d’optimisation génétique multi- objectif original combinant critères technico-économiques et environnementaux, basés sur une approche par Analyse de Cycle de Vie (ACV). Afin d’être en mesure d’évaluer les transformations à l’échelle d’un secteur industriel, différents pays européens sont considérés sur trois périodes comprises entre 2015 et 2090 pour intégrer les évolutions de contraintes sur les émissions de GES et la disponibilité de technologies de capture et stockage de carbone (CCS). Une approche par regroupement (clustering) est proposée pour réduire l’étude à 100 pas de temps représentatifs de l’année afin de limiter le temps de calcul.
Une étude de sensibilité a été menée pour classer l’ensemble des solutions non-dominées trouvées par l’algorithme, aucune de ces solutions n’étant soutenable sur l’ensemble des critères environnementaux. Pour ce faire, trois approches d’évaluation sont proposées : R1 (Référence ACV de pondérations), R2 (pénalisation linéaire du dépassement des limites planétaires), et R3 (pénalisation exponentielle de ces limites et pénalisation du CCS).
Pour le classement R1, la technologie la plus performante est la pompe à chaleur, complétée par la chaudière biomasse quand le CCS devient suffisamment développé. Pour les méthodes R2 et R3, on observe des combinaisons de technologies qui dépendent du mix électrique : combinaison pompe à chaleur et chaudière gaz pour les mix majoritairement renouvelables ou chaudière biomasse pour les mix basés sur le nucléaire.

Modélisation de l'initiation de fissures en fatigue de contact

Doctorante : Lucas FOUREL

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

La fatigue de contact engendre une dégradation de la surface des composants tels que les roulements à billes, les dentures d'engrenages ou encore les roues et rails ferroviaires. Ce phénomène est causé par l'initiation et la propagation de fissures et implique de multiples phénomènes physiques à différentes échelles. Les approches empiriques sont majoritairement utilisées par les ingénieurs pour modéliser l'endommagement et dimensionner les composants concernés par la fatigue de contact.

Dans cette étude, un modèle numérique de l'initiation de fissures en fatigue de contact est développé afin de mieux comprendre ce phénomène qui est difficilement observable expérimentalement. Le déplacement d'un contact à la surface d'un solide polycristallin est simulé dans un volume élémentaire représentatif en 3D. La microstructure est générée par la méthode de Voronoi et les contraintes mécaniques sont calculées par la méthode Green-FFT. L'amplitude de variation des contraintes au cours du cycle de sollicitation est utilisée pour calculer la position, l'orientation et la durée d'initiation de fissure avec une approche inspirée des travaux de Tanaka et Mura. Cette approche est basée sur l'accumulation de dislocations dans les bandes de glissement des différents grains du matériau. Le caractère aléatoire de la géométrie des grains et de leurs orientations cristallines permet d'obtenir des distributions statistiques.

Deux scénarios d'initiation de fissure en fatigue de contact sont analysés : l'initiation en sous-surface en présence d'une inclusion et l'initiation en surface causée par un indent. Dans le premier scénario, les sites d'initiation de fissures sont différents selon si l'inclusion est plus souple ou plus rigide que les grains. Dans le second scénario, les fissures sont initiées en face de l'épaulement de l'indent et orientées à 45° de la surface. La taille d'inclusion, la taille d'indent et la taille de grains ont une influence importante sur la durée d'initiation moyenne.

Origami à base de matériaux électroactifs pour la gestion de débris spatiaux

Doctorant : Amaury FIMBEL

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration Cifre entre le LGEF et l’entreprise ArianeGroup. La fluctuation de forme de structures complexes à l'aide de polymères électroactifs est le sujet principal de cette étude. Les matériaux électroactifs, qui, de par leurs structures peuvent réaliser une conversion électromécanique de l’énergie, prouvent progressivement leur potentiel de percée technologique dans de nombreux domaines. En plus de l'hypothèse qu'ils pourraient éventuellement remplacer les capteurs et actionneurs actuellement utilisés, les nouvelles capacités de ces matériaux tant au niveau des performances que des capacités de couplage multiphysique sont une sérieuse source d’espoir pour aborder et résoudre des problèmes issus de secteurs émergents. Ces innovations technologiques potentielles peuvent affecter particulièrement le domaine de l'aérospatial. La combinaison d'une faible masse volumique et d'une densité d'énergie mécanique considérable pour un polymère semble apporter une réponse attrayante à la mise au point de dispositifs innovants, compacts et modulables. Mais certains points restent à explorer pour démontrer tout le potentiel applicatif de cette technologie et aboutir au développement de systèmes intelligents. Une grande partie de ce travail de recherche va donc se concentrer sur cette problématique. Ce projet se focalise ainsi sur l'élaboration et la caractérisation d'un composite à haute performance pour l'actionnement électrostatique et sa tenue en vieillissement en milieu spatial. Les objectifs de l'étude mécanique des structures origami sont de trouver des solutions concernant la compréhension et le développement de systèmes complexes et modulables. L’association de ces deux axes ouvre la voie à la création de structures mécaniques très légères pilotables par un champ électrique. Cette thèse concerne la gestion des débris spatiaux mais peut tout à fait s’ancrer dans un enjeu sociétal plus large comme par exemple le médical, la robotique ou encore le domaine des transports.

Contribution to roller chain drive quasi-static modelling for efficiency optimisation. Application to track cycling

Doctorant : Gabriel LANASPEZE

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

L’importante compétition entre cyclistes sur piste de très haut niveau pousse les travaux de recherches à explorer toutes les possibilités d’optimisations. Dans ce contexte, le rendement énergétique des transmissions par chaine à rouleaux est étudié dans le but d’améliorer la compréhension des pertes de puissance et d’en déduire des possibilités d’optimisations.
Dans les transmissions par chaine, les pertes sont majoritairement causées par l’engrènement/dégrènement des maillons sur les pignons. Toutefois, une étude préliminaire a montré que les pertes dues au mouvement des rouleaux le long de leur profil de dent ont une influence significative. Le but de ce travail est donc d’explorer ce phénomène.
Un modèle 2D quasi-statique est tout d’abord présenté. La cinématique générale (comprenant les erreurs de transmission) est déterminée en utilisant des sous-modèles spécifiques aux brins tendu et mou. Un modèle local de pignon est ensuite introduit afin de calculer les tensions dans les maillons ainsi que les forces de contact entre rouleaux et pignons. Le modèle peut être utilisé avec différentes géométries de denture.
Un second modèle est ensuite proposé. En se basant sur les résultats du modèle quasi- statique, il calcule le rendement d’une transmission en prenant en compte les pertes causées par l’engrènement ainsi que les mouvements de rouleaux. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont menées pour valider l’approche proposée.
Le modèle de rendement est ensuite utilisé pour mener une étude paramétrique sur des transmissions par chaines de cyclisme sur piste. L’influence de plusieurs paramètres est explorée : géométrie de denture, couple appliqué, réglage de la tension, nombres de dent des pignons, pas de la chaine et coefficient de frottement. Les interactions entre paramètres sont identifiées. En se basant sur les résultats, des lignes directrices pour de futures optimisations sont proposées.

 

 

Techniques de modélisation multi-échelle de l'interface acier- béton pour le calcul de structures en béton armé à grande échelle

Doctorante : Maryam TRAD

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

La caractérisation du comportement mécanique des structures en béton armé est un défi majeur, en particulier lorsque des sollicitations au-delà du niveau de dimensionnement sont considérées. Dans ce cas, des informations locales sur le comportement de fissuration du béton sont indispensables pour évaluer la performance structurale. Cela est observé dans le cas où les ouvrages de génie civil présentent des exigences d’étanchéité. La prise en compte de l’intéraction entre le béton et les armatures en acier dans les simulations numériques joue un rôle important dans l’estimation du phénomène de fissuration. Les approches existantes de modélisation numérique de cette interface acier-béton restent peu satisfaisantes principalement car elles demandent des temps de calcul élevés. Leur application à l’échelle d’un bâtiment industriel reste toujours fastidieuse (Phan et al., 2015). Le but de ce travail de thèse est de proposer des stratégies de modélisation de l’interface acier-béton ayant le coût numérique le plus bas possible et étant applicables à l'échelle de l'ouvrage. Pour cela, une approche multi- échelle est proposée. Cette approche consiste à définir un macro-élément capable de reproduire le comportement de l’acier et de l’interface acier-béton reliés au moyen d’une densité d’efforts d’adhérence. Cette approche est intégrée dans des calculs de structures bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D). En parallèle, une méthode de modélisation de l’interface dans le cadre d’éléments poutres inspirée des travaux de (Yousefi et al., 2020) et de (Abtahi et Li, 2023) est présentée. Une extension de cette approche vers des éléments plaques est réalisée. Les différentes techniques proposées dans ce travail sont utilisées pour modéliser des tests expérimentaux de caractérisation du comportement de l'interface. Des exemples structuraux de poutres en flexion trois et quatre points sont également modélisés. Les applications présentées démontrent la robustesse des approches proposées et leur capacité à reproduire le comportement expérimental d'éléments structuraux en béton armé.

 

 

Etude numérique et expérimentale de l'effet de zones architecturées sur la propagation de fissure

Doctorante : Julie TRICLOT

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Grâce au récent développement des technologies de fabrication additive, il est devenu possible de fabriquer des composants multi-échelles, où l’on contrôle complètement la microstructure. Il se pose aujourd’hui la question de la tenue en service de tels matériaux, notamment dans la perspective de diminuer les marges de sécurité en contrôlant mieux la résistance mécanique. Dans cette thèse, on se propose d’étudier la propagation de fissure sous chargement quasi-statique en présence de zones architecturées. On se concentre ici sur le cas où la fissure ne traverse pas les zones architecturées. Ces zones produisent donc un effet à distance. Cette question est étudiée à travers des approches numériques et expérimentales. Le modèle numérique est basé sur des calculs éléments finis et une propagation de fissure représentée par un algorithme par longueur d'arc. Le dispositif expérimental est constitué d'éprouvettes Compact Tension (CT) ou Tapered Double Cantilever Beam (TDCB) issues de l'impression 3D, la fissuration est faite par chargement lent avec suivi de la fissure grâce aux méthodes de corrélation d'images. La comparaison des approches numériques et expérimentales sur des éprouvettes non-architecturées permet de faire des hypothèses physiquement fondées pour la suite du travail. La prospection numérique permet de mettre en avant des effets intéressants : une augmentation locale de la résistance à la propagation et l'apparition d’une instabilité snap-back. Une validation expérimentale est ensuite recherchée. Les outils de calculs sont utilisés pour affiner les choix de géométries afin de faire face aux problématiques expérimentales. Les deux phénomènes observés dans la phase de prospection numérique sont retrouvés expérimentalement. Une étude paramétrique permet de vérifier que les tendances obtenues numériquement sont retrouvées dans les résultats expérimentaux. Enfin, l'analyse des phénomènes observés mène à une discussion sur la notion de ténacité effective.