Modélisation et résolution du problème de contact mécanique et son application dans un contexte multiphysique Soutenance de thèse de doctorat en ingénierie BUSSETTA Philippe Directeur: Codirecteur: M.

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Transcript Modélisation et résolution du problème de contact mécanique et son application dans un contexte multiphysique Soutenance de thèse de doctorat en ingénierie BUSSETTA Philippe Directeur: Codirecteur: M.

Modélisation et résolution
du problème de contact mécanique
et son application
dans un contexte multiphysique
Soutenance de thèse
de doctorat en ingénierie
BUSSETTA Philippe
Directeur:
Codirecteur:
M. Daniel Marceau, UQAC
M. Jean-Philippe Ponthot, ULg
Université du Québec à Chicoutimi
Département des sciences appliquées
3 Février 2009
Plan
Introduction
Mécanique du contact frottant
Méthodes de résolution
Limites des méthodes habituelles
Méthodes de résolution proposées
Conclusion et recommandations
2/58
Introduction
 Introduction
 Mécanique du contact
frottant
 Méthodes de résolution
 Limites des méthodes
habituelles
 Méthodes de résolution
proposées
 Conclusion et
recommandations
•
•
•
•
Problématique
Objectifs
État des connaissances
Méthodologie
3/58
Introduction…
Problématique
Le contact, un phénomène de tous les jours…
Mathématique
Physique
Informatique
4/58
Numérique
Introduction…
Problématique…
Contrainte de Contact
Contraintes dans les solides
Résistance thermique
Résistance électrique
Méthode de résolution
Type de problème
Choix de paramètres
5/58
Introduction…
Objectifs
Méthode de résolution
Polyvalente
Fiable
Rapide
Algorithme de résolution
Système d’équations
Discrétisation du contact
Discrétisation des frontières
Lois de contact
6/58
Introduction…
État des connaissances
Modélisation mathématique
Méthode de résolution
Pénalisation (Sh. Keshavarz 08, etc.)
Multiplicateurs de Lagrange (H. Walter 99, etc.)
Lagrangien augmenté (J.C. Simo 92, etc.)
Discrétisation du contact
« Point-surface » (P. Goulet 04, etc.)
« Surface-surface » (M. A. Puso 04, etc.)
X-FEM (G. Legrain 05, etc.)
Lissage des frontières (D. Chamoret 04, etc.)
7/58
Introduction…
Méthodologie
Technique de résolution
Étude comparative
Limites des méthodes usuelles
Méthode proposée
Discrétisation du contact
Étude comparative
Limites des méthodes usuelles
Méthode proposée
8/58
Mécanique du contact frottant
 Introduction
 Mécanique du contact
frottant
 Méthodes de résolution
 Limites des méthodes
habituelles
 Méthodes de résolution
proposées
 Conclusion et
recommandations
• Physique du problème
• Contact frottant
- Modélisation du contact
- Modélisation du frottement
• Principe des travaux virtuels
9/58
Mécanique du contact frottant...
Physique du problème
Représentation du contact entre deux solides
Statut de contact?
 Configuration déformée?
10/58
Mécanique du contact frottant...
Contact frottant
Modélisation du contact
Lois non différentiables
Loi de contact unilatérale
11/58
Mécanique du contact frottant...
Contact frottant…
Modélisation du frottement
Lois non différentiables
Loi de frottement de Coulomb
12/58
Mécanique du contact frottant...
Principe des travaux virtuels
Travaux virtuels des forces internes
Travaux virtuels des forces de contact
Travaux virtuels des forces externes
13/58
Méthodes de résolution
 Introduction
 Mécanique du contact
frottant
 Méthodes de résolution
 Limites des méthodes
habituelles
 Méthodes de résolution
proposées
 Conclusion et
recommandations
• Système d’équations
- Pénalisation
- Lagrangien augmenté
• Discrétisation du contact
- « Point-surface »
- « Surface-surface »
• Algorithmes de résolution
- Pénalisation
- Pénalisation adaptative
- Lagrangien augmenté
14/58
Méthodes de résolution…
Système d’équations
Méthode de pénalisation
Loi de contact
Coefficients de
pénalisation?
Loi de frottement
15/58
Méthodes de résolution…
Système d’équations…
Méthode du lagrangien augmenté
Loi de contact
Loi de frottement
Coefficients de
pénalisation?
Augmentation des lagrangiens
16/58
Méthodes de résolution…
Discrétisation du contact
Méthode « point-surface »
Conditions d’admissibilité
Problèmes :
Frontières irrégulières
Déplacements relatifs importants
Représentation du calcul
de l’interpénétration au
point A
17/58
Méthodes de résolution…
Discrétisation du contact…
Méthode « surface-surface »
Conditions d’admissibilité
Problème :
Pour chaque nœud
Vecteur normal
Vecteur tangent
Représentation du
calcul de
l’interpénétration au
noeud A
18/58
Méthodes de résolution…
Algorithmes de résolution
Méthode de pénalisation
Méthode de Newton-Raphson :
19/58
Méthodes de résolution…
Algorithmes de résolution…
Méthode de pénalisation adaptative
L’interpénétration doit respecter :
Calcul du coefficient de pénalisation normale :
20/58
Méthodes de résolution…
Algorithmes de résolution…
Méthode du lagrangien augmenté
Méthode de Newton-Raphson :
21/58
Limites des méthodes habituelles
 Introduction
 Mécanique du contact
frottant
 Méthodes de résolution
 Limites des méthodes
habituelles
 Méthodes de résolution
proposées
 Conclusion et
recommandations
• Problème de Hertz
- Pénalisation
- Pénalisation adaptative
- Lagrangien augmenté
• Tubes concentriques
22/58
Limites des méthodes habituelles…
Problème de Hertz
Deux cylindres en acier
Rayon :
Module d’Young :
Coefficient de Poisson :
Limite d’élasticité (se):
Loi d’écrouissage :
K:
25 cm
200 GPa
0,3
472 MPa
se + Ke
640
23/58
acier
Limites des méthodes habituelles…
Problème de Hertz…
Méthode de pénalisation
Nombre d’itérations
24/58
Limites des méthodes habituelles…
Problème de Hertz…
Méthode de pénalisation
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élastique)
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élasto-plastique)
25/58
Limites des méthodes habituelles…
Problème de Hertz…
Méthode de pénalisation adaptative
Nombre d’itérations
26/58
Limites des méthodes habituelles…
Problème de Hertz…
Méthode de pénalisation adaptative
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élastique)
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élasto-plastique)
27/58
Limites des méthodes habituelles…
Problème de Hertz…
Méthode du lagrangien augmenté
Nombre d’itérations
28/58
Limites des méthodes habituelles…
Problème de Hertz…
Méthode du lagrangien augmenté
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élastique)
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élasto-plastique)
29/58
Limites des méthodes habituelles…
Tubes concentriques
Écrasement de deux tubes concentriques
Rayon de contact :
Épaisseur (e) :
Coefficient de frottement :
Module d’Young :
Coefficient de Poisson :
Limite d’élasticité (se):
Loi d’écrouissage :
K:
25 cm
1 cm
0, 15
200 GPa
0, 3
472 MPa
se + Ke
640
Déplacement U
imposé
Frontière fixe
30/58
Limites des méthodes habituelles…
Tubes concentriques…
Maillage utilisés
Frontières
de contact
Longueur :
10 cm
31/58
Limites des méthodes habituelles…
Tubes concentriques…
Nombre d’itérations en fonction du type de modélisation
32/58
Limites des méthodes habituelles…
Tubes concentriques…
Contrainte normale de contact avec la méthode de pénalisation
Maillage 1
Maillage 2
33/58
Limites des méthodes habituelles…
Tubes concentriques…
Contrainte normale de contact avec la méthode du lagrangien augmenté
Maillage 1
Maillage 2
34/58
Méthodes de résolution proposées
 Introduction
 Mécanique du contact
frottant
 Méthodes de résolution
 Limites des méthodes
habituelles
 Méthodes de résolution
proposées
 Conclusion et
recommandations
•
•
•
•
Méthode « Surface-surface »
Pénalisation adaptative modifiée
Lagrangien augmenté adapté
Validation
- Problème de Hertz
- Tubes concentriques
- Préchauffage de la cathode d’une
cuve d’électrolyse
35/58
Méthodes de résolution proposées…
Méthode « Surface-surface »
Conditions d’admissibilité
Solution :
Pour chaque nœud
Représentation du
calcul de
l’interpénétration au
noeud A
Vecteur normal et tangent (élément maître)
Problème 3D
36/58
Méthodes de résolution proposées…
Pénalisation adapté modifié
Algorithme de calcul du coefficient de pénalisation normal
gi >> gi-1
gi ≈ gi-1
gi > gi-1
37/58
Méthodes de résolution proposées…
Lagrangien augmenté adapté
Algorithme de calcul de la force normale de contact :
Ai
g2
Ai-1
38/58
Méthodes de résolution proposées…
Lagrangien augmenté adapté…
Algorithme de calcul du coefficient de pénalisation normal
gi >> gi-1
gi ≈ gi-1
gi > gi-1
39/58
Méthodes de résolution proposées…
Lagrangien augmenté adapté…
Algorithme de calcul du coefficient de pénalisation tangentiel
Initialisation
Adaptation
40/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation
Problème de Hertz
acier
41/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Problème de Hertz…
Méthode de pénalisation adaptative modifiée
Nombre d’itérations
42/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Problème de Hertz…
Méthode de pénalisation adaptative modifiée…
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élastique)
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élasto-plastique)
43/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Problème de Hertz…
Méthode du lagrangien augmenté adapté
Nombre d’itérations
44/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Problème de Hertz…
Méthode du lagrangien augmenté adapté…
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élastique)
Contrainte normale de contact tn
(maillage 4 et comportement élasto-plastique)
45/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Écrasement de deux tubes concentriques
Maillage utilisés
46/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Écrasement de deux tubes concentriques…
Méthode « surface-surface »
Contrainte normale de contact avec la méthode de pénalisation (en = 105 et et = 104)
Maillage 1
Maillage 2
47/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Préchauffage de la cathode d’une cuve d’électrolyse
carbone
fonte
acier
Schéma d’un bloc cathodique
Courbe de montée en température du dessus du bloc cathodique
48/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Préchauffage de la cathode d’une cuve d’électrolyse…
Maillage d’un bloc cathodique
49/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Préchauffage de la cathode d’une cuve d’électrolyse…
Pénalisation – Lagrangien augmenté adapté
Nombre d’itération en fonction du
pas de temps
Valeur maximale de l’interpénétration
pour chaque pas de temps avec la
méthode du lagrangien augmenté adapté
50/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Préchauffage de la cathode d’une cuve d’électrolyse
Pénalisation – Lagrangien augmenté adapté…
Contrainte normale de contact au 6ème pas de temps (interface fonte-carbone)
Pénalisation
Lagrangien augmenté adapté
51/58
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Préchauffage de la cathode d’une cuve d’électrolyse
Pénalisation – Lagrangien augmenté adapté…
Première contrainte principale au 16ème pas de temps
52/58
Pénalisation
Lagrangien augmenté adapté
Méthodes de résolution proposées…
Validation…
Préchauffage de la cathode d’une cuve d’électrolyse
Pénalisation – Lagrangien augmenté adapté…
Id2
Id1
Force normale de contact sur l’interface fonte-carbone
53/58
Conclusion et recommandations
Méthodes usuelles de résolution
Non adaptées
Méthode de résolution proposée :
lagrangien augmenté adapté
Plus rapide (adaptation de la pénalité)
Plus robuste (lagrangien augmentée)
Contact avec frottement
Contexte multiphysique
54/58
Conclusion et recommandations
Méthode « point-surface »
Solution irrégulière / non représentative
Valeur de l’interpénétration
Méthode « surface-surface »
Solution plus régulière
Contact non local
55/58
Conclusion et recommandations
Lagrangien augmenté adapté
Calcul du contact frottant
Multiplicateurs de Lagrange à incrément avant
Méthode « surface-surface »
Amélioration de la programmation
56/58
Questions
57/58