MN - Modèles Numériques

Interfaces Généralisées et Couplage non intrusif : application de codes de recherche au sein de codes industriels pour l'analyse de structures fortement non linéaires – ICARE

Comment calculer simplement les modèles numériques de structures industrielles complexes?

ICARE vise le développement de méthodes numériques pour simuler le comportement mécanique de structures complexes et de grande taille : il s’agit d’investiguer des détails structurels à des échelles localisées, sans remanier pour autant les outils usuels déployés à l’échelle globale (l’innovation réside dans le caractère non-intrusif de la méthode).

Vers le couplage non-intrusif

Bien que des technologies numériques permettent déjà le raccord de différents modèles, ces technologies restent contraignantes, en particulier du point de vue industriel ; en effet, garantir des échanges entre une variété d’objets contraint la conception même de ces objets : doivent être anticipés la représentation topologique d’une zone d’échanges (interface), sa discrétisation, l’extraction sur cette zone des quantités d’intérêt, et leur éventuel retraitement (cas d’un couplage coque / volume). Le couplage non-intrusif lève ce verrou scientifique et industriel, en proposant une forme innovante de communication entre les différents modèles, caractérisée par :<br /><br />• une minimisation des contraintes sur la topologie et le maillage du modèle global : le déploiement industriel est facilité, puisqu’aucune intervention n’est nécessaire sur la maquette globale ;<br />• une minimisation de la quantité d’échanges (optimisation du temps de calcul) ;<br />• une minimisation des développements spécifiques au code généraliste : les codes restent indépendants, en particulier en termes de maillages et de solveurs.<br /><br />Ainsi, une retombée majeure du projet ICARE sera de faciliter la dissémination d’outils de recherche spécifiques : en effet, la simplification du couplage rendra le déploiement d’outils<br />spécialisés issus de la R&D compatible avec un cadre industriel.<br />

La contrainte imposée est de s’interdire toute modification du code industriel généraliste traitant le problème global simplifié. Le prérequis est de ne pas modifier le solveur du code généraliste. En particulier, cela conduit à ne pas découper le maillage industriel. Une difficulté technique importante est que ceci empêche toute utilisation d’un calcul sur la zone complémentaire à celle ré-analysée, le maillage et le modèle de cette zone n’étant pas disponibles. De plus, dans le contexte de la prise en compte d’incertitudes, la contrainte imposée conduit à utiliser des modèles globaux déterministes simulables par des codes généralistes déterministes.

Une brique essentielle à la mise en œuvre de cette méthode est la gestion efficace de la communication entre les modèles local et global (interfaces). La contrainte imposée est de s’interdire toute modification du maillage utilisé dans la résolution du problème global simplifié. L’outil devra pouvoir aussi traiter les cas de discrétisation de modèles différents, comme celui de l’intersection des éléments de structure (poutre 1D, plaque) avec des éléments massifs.

Démarrage du projet : 01/01/2013
Réunion de lancement : 17-18/01/2013
Réunion d’avancement n°1 : 25/09/2013

Au cours des six premiers mois du projet, les premières mises en œuvre de couplage non-intrusif, pour partie dans l’environnement adopté Code_Aster, ont permis de tester la faisabilité de l’implémentation logicielle et d’orienter les ajustements nécessaires. Plusieurs situations représentatives mais simplifiées des cas tests répertoriés et documentés par EDF et EADS ont été abordées : fissure en milieu homogène au sein d’une géométrie complexe (2D et 3D), plaques trouées avec non-linéarités en bord de trou (2D et 3D), raccord entre problème global 2D et local 3D, prise en compte d’incertitudes localisées au sein d’un milieu hétérogène.

ICARE vise des développements logiciels dans l’environnement partagé Code_Aster, répondant aux normes de maintenance, documentation, rétrocompatibilité de l’industrie; l’industrialisation est exclue du projet, mais l’évaluation des méthodes sur des cas-tests dérivés d’exercices industriels ouvrira des perspectives de transfert vers les environnements EADS et EDF ; ce transfert, qui demandera des exercices complémentaires de mise en situation dans le cadre de programmes de développement, reste a la charge d’EADS et EDF dans un délai de une à quelques années après la fin du projet. Dès la fin du projet, des briques élémentaires constitutives des méthodes de couplage (transfert de champs, remaillage) seront intégrées à l’offre logicielle du partenaire PME DISTENE vers les éditeurs et utilisateurs de logiciel d’analyse structurale et de prétraitement.

1. M. Chevreuil, A. Nouy, E. Safatly, “A multiscale method with patch for the solution of stochastic partial differential equations with localized uncertainties”, Computational methods in Applied Mechanical Engineering, 255 (2013) 255-274
2. G. Guguin, O. Allix, P. Gosselet, S. Guinard, “non-intrusive coupling between 3D and 2D laminated composite models based on finite element 3D recovery”, To be published in International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2013
3. M Duval, “couplage non intrusif et propagation de fissures”, rapport de stage INSA, cotutelle UTO/EADS, 2013

Le projet vise au développement de méthodes pour l’analyse de structures complexes et de grande taille.

Le défi scientifique consiste à investiguer des zones très localisées, mais potentiellement critiques vis-à-vis de la tenue mécanique d’ensemble, au sein de structures de grande complexité géométrique et de grande taille. Classiquement, sont mis en œuvre aux échelles globale et locale des représentations, discrétisations, modèles de comportement et outils numériques adaptés à des besoins de simulation gradués en complexité. Le problème global est traité avec un code généraliste (ABAQUS, NASTRAN…), dans le cadre d’idéalisations topologiques (formulation plaque, simplification géométrique), comportementales (homogénéisation), statistiques (cadre déterministe) ; l’analyse locale quant à elle demande la mise en œuvre d’outils spécialisés (routines, codes dédiés) pour une représentation fidèle de la géométrie et du comportement (contact, hétérogénéité, dégradations, incertitudes).

Certes, des technologies numériques permettent le raccord de différents modèles. Toutefois, ces technologies restent contraignantes, en particulier du point de vue industriel ; en effet, garantir des échanges entre une variété d’objets contraint la conception de ces objets : doivent être anticipés la représentation topologique d’une zone d’échanges (interface), sa discrétisation, l’extraction sur cette zone des quantités d’intérêt, et leur éventuel retraitement (cas d’un couplage coque / volume).

Le couplage non-intrusif lève ce verrou scientifique et industriel, en proposant une forme innovante de communication entre les différents modèles, caractérisée par :

• une minimisation des contraintes sur la topologie et le maillage du modèle global : le déploiement industriel est facilité, puisqu’aucune intervention n’est nécessaire sur la maquette globale ;
• une minimisation de la quantité d’échanges (optimisation du temps de calcul) ;
• une minimisation des développements spécifiques au code généraliste : les codes restent indépendants, en particulier en termes de maillages et de solveurs.

Ainsi, une retombée majeure du projet ICARE sera de faciliter la dissémination d’outils de recherche spécifiques : en effet, la simplification du couplage rendra le déploiement d’outils spécialisés issus de la R&D compatible avec un cadre industriel.

Autour d’EADS et EDF, porteurs des besoins de simulation les plus avancés, le consortium réunit trois partenaires académiques spécialistes des méthodes numériques (GeM, LMT, UTO) et une PME DISTENE, moteur de l’intégration de la chaîne numérique de conception, analyse et post-traitement auprès des grands éditeurs de logiciels éléments finis.

Coordination du projet

Stéphane GUINARD (EADS Innovation Works) – stephane.guinard@eads.net

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GeM Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique
EADS EADS Innovation Works
ENS Cachan LMT cachan
EDF EDF
DISTENE DISTENE
UPS-IMT Université Paul Sabatier - Institut de Mathématiques de Toulouse

Aide de l'ANR 840 583 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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