Fragmentation dynamique par l'approche cohésive Lipschitz – CLIP-

Un consortium franco-suisse vise à développer une nouvelle approche rapide et à bonne scalabilité pour la fragmentation dynamique qui sera diffusée sous forme de logiciel libre. Les explosions et les impacts entraînent l'apparition de fissures qui se propagent à grande vitesse, coalescent pour former des fragments et peuvent entrer en collision les unes avec les autres. Ce processus, appelé fragmentation dynamique, est d'une importance capitale dans de nombreuses applications, notamment pour l'industrie aérospatiale, où des modèles précis sont absolument nécessaires pour caractériser et estimer l'évolution des débris spatiaux en orbite autour de la terre. La recherche vise à promouvoir un logiciel robuste basé sur la physique pour prédire la génération de débris lors de l'impact de structures, en mettant l'accent sur l'obtention de distributions statistiques précises des tailles, formes et vitesses des fragments.

L'approche de modélisation repose sur l'expertise complémentaire et unique de deux équipes. L'équipe suisse possède une expertise dans la fragmentation dynamique et a développé des algorithmes performants pour l'insertion de fissures cohésives. Les fissures cohésives donnent une représentation explicite des surfaces de fissures et simplifient le traitement des contacts entre fragments, un facteur crucial pour prédire les vitesses des débris. Cependant, cette approche cohésive est connue pour souffrir de dépendance au maillage, avec des chemins de fissures qui dépendent du maillage sous-jacent, résultant en des prédictions non robustes des formes de fragments.
Le groupe français a une expertise reconnue dans le développement de méthodes de calcul pour des chemins de fissures indépendants du maillage, soit avec la méthode des éléments finis étendus (X-FEM), l'approche de la rupture par Thick Level Set ou plus récemment l'approche de la rupture par Lip-field. Cette dernière appartient à la famille des approches de fissures diffuses dans lesquelles les faces de fissures ne sont pas explicitement modélisées (comme dans l'approche par champ de phase). Contrairement à l'approche par les fissures cohésives, les approches de fissures diffuses conduisent à des résultats indépendants du maillage mais les coûts de calcul sont énormes et les fragments sont difficiles à extraire.

Le projet va promouvoir un nouveau modèle théorique pour la fracture et l'appliquer aux simulations de fragmentation HPC. Le modèle est appelé CLIP pour Cohesive LIPschitz approach. Les fissures doivent être créées de manière cohésive mais l'originalité est qu'elles induisent un dommage diffus autour d'elles. L'endommagement diffus est lié à l'endommagement cohésif par une relation explicite respectant une condition de Lipschitz, ce qui apporte une bonne efficacité de calcul et atténue l'inconvénient de calcul des approches de fissures diffuses.

Le plan de recherche est composé de trois étapes de travail (WP). Le WP1 sera réalisé par un doctorant de l'Ecole Centrale de Nantes (ECN), en France, et étudiera les performances de CLIP pour la propagation statique et dynamique des fissures. Des problèmes de référence seront résolus pour démontrer les propriétés de convergence de l'approche pour la mécanique de la rupture, avec un accent particulier sur l'indépendance de la maille des solutions. Le WP2 sera mené par un étudiant en doctorat à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, et se concentrera sur un traitement robuste des interactions entre les fragments, et sur la physique de la fragmentation dynamique à la lumière des applications aérospatiales. Le WP3 réunit les WP1 et WP2 à travers le travail de deux experts en calcul scientifique à l'ECN et à l'EPFL, avec pour objectif final de publier un logiciel open-source de haute performance.