Mécanique Numérique des Solides – CSM

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    Membres Permanents de l'équipe

    Katia Mocellin, responsable
    François Bay
    Pierre-Olivier Bouchard
    Sélim Kraria
    Daniel Pino Munoz
    Yannick Tillier
    Nathalie Brulat-Bouchard
    Elodie Ehrmann
    Charles Savoldelli

    Domaines de recherche

    - Méthodes numériques
    - Mécanique du solide
    - Optimisation et Analyse Inverse
    - Endommagement et Rupture
    - Biomécanique

    Applications

    - Mise en forme des métaux
    - Etudes des tissus du et pour le vivant (prothèses et organes)
    - Chauffage par induction et formage électromagnétique

    Objectifs principaux de l'équipe CSM

    L’équipe CSM a pour objectif le développement de méthodes numériques, de modèles mécaniques et de méthodologies appliqués à des problématiques en mécanique des solides.

    L’approche notamment proposée ici est de s’intéresser la chaîne de production de pièces ou de composants dans son ensemble afin de pouvoir prédire et optimiser les propriétés en service en intégrant l’histoire thermomécanique du matériau.

    Activités de recherche

    Développement de méthodes numériques pour les procédés de fabrication et les structures

    Le groupe CSM travaille sur le développement de méthodes numériques avancées dans un environnement logiciel exigeant. Les algorithmes et méthodes doivent en effet s’inscrire dans le contexte de structures logicielles complexes dans des logiciels commerciaux.

    • Formulation stationnaire et méthodes ALE
    • Solveurs itératifs et parallèles, méthodes multi maillages
    • Analyse de contact , algorithme multidomaine
    • Anisotropie et remaillage adaptatif
    • Assemblages par déformation plastiques : de la pose à la tenue mécanique (rivetage, sertissage...)
    • Mise en forme de tôles et de tubes
    • Soudage...

    Couplages multiphysiques
    La prise en compte de couplages entre la mécanique, la thermique, les champs magnétiques et électriques est un thématique basée sur le développement de modèles numériques pour le traitement d’équations aux dérivées partielles de natures différentes. Les éléments finis d’arètes et la résolution de système complexe doivent par exemple être considérés.

    • Direct and alternative currents
    • Solvers for Maxwell equations
    • Multiphysics Coupling
    • Welding
    • Induction heating
    • Magnetic forming

    Biomécanique
    L’activité de recherche dans le domaine des matériaux du et pour le vivant n’est pas récente. Le CEMEF a mené en effet, par le passé, plusieurs travaux sur l’optimisation de matériaux dentaires ou sur les prothèses de hanche à travers des études portant sur le frottement métal-polymère par exemple. Plus récemment, sous la houlette de Yannick Tillier, cette activité « biomécanique » s’est davantage axée sur la caractérisation mécanique des matériaux, y compris d’origine biologique, et sur leur modélisation. Les deux domaines d’application principaux visés sont la simulation d’opérations chirurgicales pour la planification opératoire et l’aide au développement de dispositifs médicaux.  >> en savoir plus

    Modélisation et caractérisation du comportement des matériaux jusqu’à l’endommagement et la rupture
    Le groupe CSM possède une expertise importante sur la caractérisation des matériaux pour des trajets de chargement complexes, tant pour identifier leur comportement que pour caractériser leur déformation à rupture en fonction du trajet de chargement.
    Nous développons pour cela des techniques numériques de haute fidélité qui permettent de simuler les mécanismes physiques responsables de l'endommagement des matériaux aux différentes échelles. Cette approche permet ainsi d'obtenir par analyse inverse les différents paramètres matériaux nécessaires à la modélisation de l'endommagement. Le groupe présente également une expertise avancée sur la modélisation 3D de la rupture au travers de techniques d'adaptation de maillage et de remaillage automatique.
    Ces champs de compétence combinés permettent le développement de modèles prédictifs pour la maîtrise et la compréhension de procédés complexes et des caractéristiques mécaniques des pièces produites.
    Pour alimenter ces modèles, nous développons des essais spécifiques pour se rapprocher au plus des conditions de sollicitations vues par la matière au cours des procédés de mise en forme ainsi que des essais semi-industriels permettant de valider les modèles développés.

    Exemples de projets

    • Projet ANR OPTIMUM - OPTImisation des assemblages de MUlti-Matériaux par soudage friction linéaire pour les applications aérospatiales (février 2015-février 2019 : UTC, Centre des Matériaux MINES ParisTech, ACB, Airbus Group Innovation) - Etude numérique et expérimental d’assemblage des matériaux dissimilaires par le procédé soudage par frottement linéaire.
      L’équipe CSM est en charge de la modélisation numérique du procédé.
    • PROJET ECOS-SUD – (Universidad Católica de Chile » et collaboration avec l’« Universidad Nacional de Rosario » Argentine ) (2017-2020).
      Ce projet vise à développer des essais non conventionnels sur éprouvettes plates pour étudier l’influence des trajets de chargement sur la formabilité.
      L’équipe est en charge du développement de modèles de comportement et d’endommagement adaptés.
    • Projet ANR SIMP-Aero 2015-2019 Simulation Mécanique du Processus d'usinage des Pièces Aéronautiques
      Partenaires :
      SIGMA, Université Clermont Auvergne, Aubert et Duval, Constellium
      La conception des pièces de structure aéronautique répond à une exigence de résistance mécanique tout en cherchant une réduction du poids et une minimisation du coût de fabrication. Les pièces sont physiquement réalisées à partir d’une préforme, dont 80% à 90% de la masse est éliminé par usinage. Le but de ce projet est ainsi de proposer une modélisation théorique et expérimentale de la distorsion de la pièce pendant l’usinage.

    Equipements et logiciels de l'équipe CSM

    • Forge® + Matelec, Cimlib®, MOOPI
    • Machine de formage magnétique

    La machine est équipée d’un générateur de type 20 kJ/9kV, il s’agit d’une mini-station de magnéto-formage plan avec une bobine de formage type « pancake ».
    L’objectif est de pouvoir mener des essais de validation des modèles numériques développés au CEMEF ainsi que la caractérisation du comportement de matériau sous haute vitesse de sollicitation.

    • Machine de traction bi-axiale

    Machine de traction biaxiale adaptée aux caractéristiques mécaniques des tissus mous et couplée à un système de corrélation d’images. Permet de caractériser notamment le comportement hyperélastique anisotrope des valves cardiaques – modélisation numérique d’une valve aortique (thèse de Colin Laville). >> En savoir plus

    • Pince Rhéobiol


    Ce dispositif de caractérisation portable a été développé pour permettre la caractérisation de matériau biologique rapidement après le prélèvement.

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    Fait marquant de l'équipe CSM :

    Méthodes numériques pour la réduction des temps de calcul d’un logiciel industriel

    La réduction des temps de calcul demeure une obsession dans le domaine de la simulation des procédés de mise en forme, qu’il s’agisse de mener un calcul à son terme avec une précision satisfaisante et dans des temps raisonnables, ou d’effectuer de nombreux calculs d’optimisation ou d’analyse inverse pour concevoir une gamme de mise en forme ou identifier des paramètres de comportement du matériau.
    Différentes méthodes numériques ont ainsi été développées en tirant parti des particularités de certains procédés de mise en forme, telles que les formulations Arbitrairement Lagrangienne ou Eulériennes ou l’approche Multi-Maillage. Le point clé de ces développements est la compatibilité avec le logiciel FORGE, caractérisé par des maillages non structurés à base de tétraèdres linéaires, de grandes déformations de la matière, des remaillages fréquents nécessitant le transport des champs, et le calcul parallèle sur des domaines partitionnés proportionnellement au nombre de processeurs.

    "J’apprécie la pluridisciplinarité de mon sujet de thèse. Je dois prendre en compte la mécanique, le transfert thermique, le procédé d’électromagnétisme, définir les paramètres physiques de chacun et analyser le tout pour ensuite développer la simulation numérique.”

    José Alves, Docteur du CEMEF

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    Relations académiques :

    MIT – Prof. D Parks
    Centre des Matériaux - MINES ParisTech
    Mateis – INSA Lyon
    SIGMA – Prof E. Duc
    CHU Nice

    Relations industrielles :

    Aubert et Duval
    Faurecia
    Renault
    Transvalor

    Thèses et post docs en cours

    • Amélioration de la formulation stationnaire pour la simulation numérique de les procédés continu dans Forge – Shitij ARORA
    • Étude du comportement et optimisation de biomatériaux composites dentaires – Yoan BOUSSÈS