Formation Les domaines d'expertise du CEMEF couvrent les procédés et les opérations de transformation des matériaux. Les études abordent les différentes classes de matériaux (métaux, polymères, composites, verres, cristaux liquides) et leurs évolutions lors de la mise en forme (microstructure, rhéologie, comportement), l'impact de ces transformations sur leurs propriétés d'usage et les problèmes d'interface entre le matériau et les outils (frottement, contact). Il développe des essais de laboratoire spécifiques, des prototypes semi-industriels à différentes échelles et des logiciels de simulation numérique des procédés. Pour les polymères, les procédés de mise en forme et les opérations annexes étudiés sont par exemple l'extrusion, l'injection, le soufflage, le filage. Les procédés de mise en forme des métaux étudiés sont le forgeage, le laminage, l'emboutissage, l'hydroformage, la fonderie, ou la coulée continue.
Les recherches sont réalisées dans le cadre de contrats industriels et de projets financés par des instances publiques telles que l'Agence Nationale pour la Recherche et la Commission européenne dans les secteurs suivants: métallurgie, matières plastiques, chimie fine, emballage, aéronautique, automobile, énergie (équipements pour le nucléaire et les énergies fossiles). Le CEMEF participe également à sept pôles de compétitivité.
La recherche partenariale est une volonté affichée du CEMEF: les études réalisées dans ce cadre permettent simultanément la résolution de problèmes industriels d'actualité ainsi que des avancées scientifiques amont telles que le développement de nouvelles méthodes numériques, de nouvelles lois de comportement et de frottement, de nouvelles lois physiques d'évolution des matériaux.
La dernière évaluation de l'AERES en 2008 a classé les travaux du CEMEF en A+.
Formation Le CEMEF est fortement impliqué dans l'enseignement.
Faits marquants du CEMEF
Recherche Bruno Vergnes , Jean François Agassant, Rudy Valette , Michel Vincent
Les principaux domaines d'activité du groupe RPP (Rhéologie – Polymères – Procédés) concernent la rhéologie des polymères fondus et des fluides complexes (composites, matériaux évolutifs, pâtes...), ainsi que la compréhension et la modélisation des procédés de transformation et de mise en forme de ces matériaux.
Thèse de Mouhamad Mouazen , encadrée par Bruno Vergnes (collaboration avec le CEA-Marcoule)
Les bitumes sont utilisés comme matériaux d'enrobage pour le stockage en fûts de produits radioactifs. Soumis à radiolyse, ils dégagent de l'hydrogène qui, s'il ne peut s'évacuer par migration ou diffusion, peut conduire à un gonflement et une détérioration des fûts de stockage. Pour maîtriser ces phénomènes, il est nécessaire de mesurer le comportement rhéologique du bitume et son évolution au cours du temps. Le bitume 70/100 a d'abord été caractérisé en rhéométrie dynamique et continue. Il s'agit d'un fluide à seuil, rhéofluidifiant à fort cisaillement. Le bitume est une suspension d'asphaltènes dispersés dans une matrice maltène. Ces matériaux constituants ayant des transitions thermiques différentes, le comportement du bitume est complexe: en dessous de 50°C, le seuil est très thermo-dépendant. Par contre, au-dessus de cette température, il est pratiquement constant. De plus, ce comportement est sensible au traitement thermomécanique reçu pendant l'extrusion. Il peut évoluer en fonction des paramètres comme la vitesse ou le débit.
Nous avons également caractérisé les mélanges de bitume et de différents types de sels (inertes) et montré là aussi l'influence des paramètres procédés sur les morphologies et les comportements rhéologiques (Fig. 1).
Figure 1. Etat de dispersion d'un sel de sulfate de baryum dans du bitume pour différentes vitesses de vis (de gauche à droite: 70, 150 et 300 tr/min).
Thèse de Ghalia Boukellal, encadrée par Rudy Valette et Jean-François Agassant
Nous avons étudié le comportement rhéologique de deux polymères «commerciaux», un polystyrène (PS, linéaire) et un polyéthylène basse densité (PEBD, branché). Nous avons effectué des mesures classiques (rhéométrie dynamique plan/plan, rhéométrie capillaire, rhéométrie élongationnelle) et nous avons ainsi identifié les paramètres de lois de comportement basées sur des approches à l'échelle moléculaire (modèle de Marrucci et Ianniruberto, modèle de Dhole et al. pour les polymères linéaires et modèle de Verbeeten et al. pour les polymères branchés).
Nous avons ensuite effectué des mesures de champ dans des filières convergentes transparentes fixées à l'extrémité d'une extrudeuse: mesure de vitesse par anémométrie laser Doppler, mesure de contraintes par biréfringence d'écoulement.
Nous avons appliqué les lois de comportement précédemment définies au champ de vitesse identifié sur l'axe de l'écoulement et nous en déduisons le champ de contraintes que nous comparons au champ mesuré par biréfringence. Nous montrons que le comportement rhéologique identifié avec des dispositifs rhéométriques standards est seulement apte à décrire partiellement le comportement en écoulement plus complexe dans le cas des polymères étudiés (Figure 2). L'écoulement rhéométrique complexe permet alors d'élargir la fenêtre d'identification des modèles, qui sont ainsi complétés par des taux de déformation plus élevés dans un mode de sollicitation (élongation plane) supplémentaire.
Figure 2. Comparaison des valeurs de contraintes mesurées par biréfringence d'écoulement, sur l'axe de symétrie d'une filière convergente, à celles déduites du champ de vitesses mesuré, en utilisant le modèle de Dhole et al. (2009), pour différents débits.
Thèse de Christian Peiti , encadrée par Bruno Vergnes et Jean-Marc Haudin
Soumis à un cisaillement continu, certains polymères branchés comme les polyéthylènes basse densité voient leur comportement rhéologique évoluer, avec une baisse de la viscosité et des modules viscoélastiques. Ceci est généralement attribué à une diminution des enchevêtrements. Dans ce travail, nous étudions le comportement rhéologique de quatre polymères commerciaux possédant des niveaux de branchements variés. A partir de mesures de chromatographie d'exclusion stérique, un indice de branchement, correspondant au nombre de branches par macromolécules, a pu être déterminé et corrélé à la distribution de temps de relaxation. Des mesures en élongation ont également été effectuées. L'étude de la modification de ces propriétés sous cisaillement est en cours.
Collaboration avec le groupe PCP; post-doc de Riadh Zouari, co-encadrée par Bruno Vergnes et Edith Peuvrel-Disdier, dans le cadre du projet européen Nanotough
Les nanocomposites polypropylène/argile organophile obtenus par mélange à l'état fondu en extrudeuse ou mélangeur interne sont caractérisés par une nanostructure constituée d'un réseau 3D de feuillets et de tactoïdes. Cette structure est instable et peut évoluer, sous écoulement mais également au repos. A l'aide de protocoles expérimentaux rigoureux, nous avons pu mesurer les cinétiques d'évolution et montré que l'on avait un mécanisme en deux temps (Figure 3): une première évolution en , suivie après un temps critique par une deuxième plus rapide, proportionnelle au temps. On note également une absence de saturation, même après des temps très longs. Les paramètres de cette double cinétique dépendent de la température, dont l'augmentation accélère le processus d'évolution. Ceci implique que, pour effectuer des comparaisons de propriétés rhéologiques à différentes températures, il est nécessaire d'imposer des temps de repos différents, afin de comparer des matériaux à structures identiques.
Figure 3. Évolution au repos du seuil d'écoulement (caractéristique de la nanostructure) d'un nanocomposite polypropylène à 5% d'argile organophile. La cinétique en deux temps est clairement visible.
Collaboration avec le groupe PCP; thèse de Florian Démé, co-encadrée par Bruno Vergnes et Edith Peuvrel-Disdier, dans le cadre du projet FUI CEREMAT
L'objectif du travail consiste à mettre au point, pour des applications en films d'emballage, des mélanges farine/PBAT, ayant des propriétés de dégradation contrôlées. Pour cela, différents mélanges de PBAT, de farines d'origines diverses et de plastifiants ont été réalisés sur deux extrudeuses bi-vis de tailles différentes. Les études rhéologiques et morphologiques de ces mélanges ont montré une forte influence de la composition et du type de farine, ainsi que des conditions de procédé (Fig. 4). Les films réalisés ont été testés du point de vue des propriétés mécaniques et une formulation optimale a été définie.
Figure 4. Morphologie d'un mélange PBAT/amidon extrudé avec différentes énergies spécifiques (de gauche à droite: 120, 180 et 220 kWh/t).
Collaboration avec le groupe PCP; thèse de Trystan Domenech , co-encadrée par Bruno Vergnes et Edith Peuvrel-Disdier, dans le cadre du projet européen Nanotough
L'objectif de ce travail est de réaliser des nanocomposites à propriétés choc améliorées, en dispersant au sein d'une matrice polypropylène (PP) une ou des charges nanométriques, éventuellement compatibilisées. Au cours de cette année, le travail a porté sur la caractérisation (rhéométrie, diffraction X, propriétés mécaniques...) de différents composites préparés par extrusion bi-vis à partir de mélanges-maîtres PP/argile modifiée (Fig. 5). Les relations entre les conditions de procédé (profil de vis, vitesse de rotation, débit...), la nanostructure correspondante (niveau d'intercalation et d'exfoliation) et les propriétés mécaniques sont en cours d'investigation.
Figure 5. Influence du taux d'argile sur le comportement rhéologique (viscosité complexe) de nanocomposites PP/argile et évaluation du seuil de percolation à partir des valeurs de seuil d'écoulement.
Collaboration avec le groupe CIM; thèse de Marko Nica, co-encadrée par Rudy Valette et Thierry Coupez , dans le cadre du projet FUI INOCAP
Les pâtes de carbone (mélanges de brai de houille et de carbone) sont utilisées entre autre pour la fabrication de pantographes par extrusion. La connaissance du comportement rhéologique de ces matériaux est d'une grande importance pour la compréhension et la maîtrise du procédé de fabrication.
La pâte a été caractérisée dans un premier temps en rhéométrie capillaire. Ce travail a montré que la pâte se comporte comme un fluide à seuil, obéissant à une loi de Herschel-Bulkley.
Dans le but de modéliser l'écoulement de ces pâtes de carbone, nous développons avec le groupe CIM des méthodes numériques spécifiques à la résolution par éléments finis de problèmes de type Stokes présentant de très fortes non-linéarités. Les premiers résultats ont toutefois montré que le comportement choisi ne permettait pas de retrouver les grandeurs expérimentales. Une nouvelle campagne d'essais rhéologiques, destinée à mettre en évidence des phénomènes de ségrégation et d'hétérogénéités de composition, est en cours.
Collaboration avec le LMPB, de l'université Lyon 1, menée par Bruno Vergnes , dans le cadre du projet européen Multihybrids
Nous avons étudié la fabrication de nanocomposites par synthèse in-situ de nanocharges pendant le procédé d'extrusion bi-vis. Nous avons utilisé le logiciel Ludovic© pour calculer les conditions d'écoulement et une équation d'évolution de la réaction sol-gel pour calculer l'avancement de la réaction. Le calcul permet donc d'obtenir, quelles que soient les conditions opératoires, l'évolution le long de l'extrudeuse de la quantité de nanocharge formée. La confrontation aux mesures expérimentales s'est avérée satisfaisante, excepté pour les forts taux de précurseur pour lesquels des phénomènes annexes viennent perturber les conditions d'écoulement (Fig. 6).
Figure 6. Nanostructure du nanocomposite PP/TiO2 obtenu par synthèse in situ de la charge et comparaison entre les taux de conversion mesurés et calculés avec Ludovic© pour différents taux de précurseur.
Collaboration avec le groupe CIM; thèse d' Audrey Durin , co-encadrée par Rudy Valette et Bruno Vergnes , dans le cadre du projet FUI FONLIMICS
Le compoundage de produits chargés en extrusion bi-vis consiste à mélanger des charges généralement solides à une matrice fluide. On distingue généralement deux mécanismes différents conduisant au mélange : la dispersion et la distribution. La dispersion implique la réduction de taille des charges et la distribution consiste en l'éparpillement de ces charges dans la matrice en vue d'obtenir une bonne distribution spatiale.
Une modélisation a été développée puis implémentée dans le logiciel XimeX® pour calculer des indices de caractérisation du mélange distributif (Fig. 7). Elle est basée sur le calcul de taux d'allongements d'éléments matériels ainsi que sur le calcul d'entropies de particules transportées dans l'écoulement. Elle permet de quantifier l'aptitude au mélange distributif de configurations géométriques comportant des éléments de vis et des éléments malaxeurs de géométries variées (angle de décalage, épaisseur des disques...).
Figure 7. Suivi de particules (20000 au départ) au cours du temps lors de l'écoulement dans un bloc d'éléments malaxeurs (de gauche à droite: après 0, 1 et 2 s).
Collaboration avec le groupe CIM; thèse d' Audrey Durin , post-docs de Funda Inceoglu et Julien Ville, co-encadrés par Rudy Valette et Bruno Vergnes , dans le cadre du projet FUI FONLIMICS
La fabrication de matériaux polymères composites chargés de fibres de verre utilise très souvent les procédés de mélange tels que l'extrusion bi-vis. Lors du compoundage, on assiste généralement à une rupture importante des fibres, ce qui réduit significativement leur longueur et donc leurs propriétés renforçantes. Des études expérimentales en mélangeur interne et en extrudeuse bi-vis ont mis en évidence l'évolution des distributions de taille le long de la machine et l'influence des conditions opératoires (Fig. 8).
Un modèle original de rupture de fibres de verres dans l'écoulement, basé sur un modèle de rupture fragile et les théories de Jeffery et Burgers, a été développé et confronté avec succès aux résultats expérimentaux.
Fig. 8. Évolution des longueurs de fibres de verre le long des vis, pour une condition donnée (Ln, longueur moyenne, Lmax, longueur maximale, Lmin, longueur minimale).
Collaboration avec le groupe PCP; thèse d'Anne Le Duc, co-encadrée par Tania Budtova et Bruno Vergnes , dans le cadre de la chaire Bioplastiques
Dans le cadre du développement durable et de l'augmentation de l'accès aux matériaux biosourcés, on envisage de plus en plus de remplacer dans les composites les fibres de verre par des fibres d'origine naturelle. Dans ce contexte, on s'intéresse particulièrement à l'évolution de la morphologie des fibres (longueur, largeur, agglomération...) pendant une opération de mélange avec une matrice thermoplastique. Les fibres sont caractérisées par analyse d'images après mélange pour obtenir des distributions de taille. En parallèle, des études in situ par rhéo-optique de la déformation et de la casse de fibres sont effectuées (Fig. 9). Elles ont mis en évidence des mécanismes de rupture par fatigue, très différents de ceux observés sur les fibres de verre. L'étude des propriétés mécaniques de ces composites, réalisée sur des éprouvettes injectées à partir de mélanges préparés en mélangeur interne, montre généralement une amélioration nette des modules de traction, au détriment de la ductilité et des propriétés d'impact.
Fig. 9. Comportement de fibres isolées en cisaillement simple pour différentes quantités de déformation; les points de rupture sont indiqués en rouge; (a) fibres de cellulose Tencel®, (b) fibres de lin.
Thèse de Cheima Mnekbi encadrée par Michel Vincent , dans le cadre du programme ANR Microconnect
La micro-injection consiste à injecter des pièces dont le poids est de quelques milligrammes. Ce procédé n'est pas la reproduction du procédé d'injection conventionnel avec une simple réduction d'échelle. Un défi technologique s'impose concernant le développement de machines adaptées. Une presse à injecter comportant une unité de plastification originale a été conçue par les membres du programme, et réalisée par l'un des partenaires (Fig. 10). Son fonctionnement est très satisfaisant.
Nous avons réalisé des mesures en rhéologie capillaire sur un PEHD et un PMMA jusqu'à des taux de cisaillement de l'ordre de 106 s-1. Pour le PEHD, on peut dépouiller les résultats en ne tenant compte que des taux de cisaillements modérés, ou de l'ensemble du spectre, incluant des défauts d'extrusion et probablement du glissement à la paroi. La viscosité ainsi obtenue est beaucoup plus faible (Fig. 10). Pour interpréter ces mesures, nous avons développé un calcul qui tient compte de la compressibilité, de la piezodépendance de la viscosité, de l'échauffement, du glissement à la paroi. Nous avons également mené des campagnes d'injection sur un moule de film (0,5mm, 0,3 mm, 0,2 mm d'épaisseur) équipé de capteurs de pression. Nous avons confronté les mesures à un calcul à partir du logiciel Rem3D©.
Figure 10: presse à injecter prototype et viscosité du PEHD issue de mesures à taux de cisaillement modérés (en vert) et forts (en rouge).
Thèse de Gregory Puaux, co-encadrée par Luisa Silva , Patrice Laure , Thierry Coupez et Michel Vincent
Les renforts tissés utilisés dans les procédés RTM (Resin Transfer Moulding) ont la particularité d'être des milieux à double échelle de porosité. La première, l'échelle mésoscopique, correspond aux espaces entre les mèches tissées. La seconde, l'échelle microscopique, correspond à l'espace entre les fibres composant les mèches. Les outils de calcul actuels permettent de simuler l'écoulement à l'échelle macroscopique, en utilisant la loi de Darcy, et une perméabilité globale, qui doit tenir compte des deux échelles du milieu.
L'objectif du travail est de déterminer la perméabilité du renfort par une approche numérique, à l'échelle microscopique, c'est-à-dire la perméabilité des mèches composant le renfort. Pour cela, nous utilisons une méthode d'éléments finis dans le cadre eulérien. Les interfaces entre le fluide et les fibres sont représentées implicitement par une fonction distance. L'approche monolithique consiste à résoudre les équations de l'écoulement sur le domaine complet, les parties solides étant obtenues par pénalisation, grâce à une différence de viscosité très importante entre les deux phases. Nous vérifions la validité de notre approche en montrant que le choix de la taille du VER, et de la taille du domaine de calcul par rapport à ce VER, dans le cas d'écoulements saturés et d'arrangements réguliers de fibres, sont les mêmes que pour l'approche classique (maillage de la zone fluide uniquement). La comparaison des résultats de nos calculs avec la littérature montre une bonne cohérence (Fig. 11).
Figure 11. Évolution de la perméabilité adimensionnelle en fonction de la concentration en fibre obtenue par divers modèles analytiques et notre calcul (Numerical computation).
Nous avons également abordé le calcul de la perméabilité pour les écoulements non saturés, c'est-à-dire pendant le remplissage au niveau du front de matière, en prenant en compte les effets capillaires. On tient alors compte de trois phases, le polymère fluide, le renfort solide et l'air.
Collaboration avec le groupe CIM; thèse de Houssem Miled, co-encadrée par Luisa Silva , Thierry Coupez et Jean-François Agassant , dans le cadre du consortium REM3D©
Un modèle intégré de calcul de l'orientation des fibres de renfort en injection et des propriétés thermo-élastiques résultantes pour la pièce produite a été développé (Fig. 12).
La modélisation de l'orientation des fibres a été améliorée grâce au développement d'un solveur espace-temps continu; les propriétés thermo-élastiques résultantes ont été prédites par deux approches différentes:
Les résultats de ces deux approches sont comparés et confrontés à des mesures expérimentales.
Figure 12. Injection d'une pièce industrielle:
(a)une des composantes du tenseur d'orientation;
(b) distribution des modules élastiques correspondants.
Thèse de Marie-Céline Serrat, co-encadrée par Jean-François Agassant et Jérôme Bikard
Les structures polymère multicouches sont produites par un procédé de coextrusion suivi d'une opération de calandrage dont l'objectif est de régler l'épaisseur du produit, d'en parfaire l'état de surface, mais également d'améliorer l'adhésion des différentes couches entre elles. Il s'avère que les paramètres de calandrage (vitesse, importance du «réservoir» de matière en amont de l'entrefer) ont une influence complexe sur l'adhésion.
Le travail expérimental a consisté à étudier l'incidence des paramètres de calandrage sur l'adhésion (mesurée à l'aide d'un test de pelage) d'un complexe polypropylène modifié anhydride maléique/ polyamide (à structure coextrudée constante), à les relier aux paramètres physico-chimiques du contact (densité de copolymère créé à l'interface) et à des paramètres thermomécaniques à l'interface entre les couches (pression, température, taux de déformation....).
Plusieurs modèles de complexité croissante ont été développés pour accéder aux paramètres thermomécaniques du calandrage:
Il apparaît que les conditions de calandrage (histoire thermique, mais également histoire des taux de cisaillement et des taux d'élongation à l'interface entre les deux polymères) influent peu sur la densité de copolymères créés à cette interface. En revanche, les conditions de calandrage vont avoir un impact significatif sur le taux de cristallinité et sur la structure de la couche de polypropylène, et ce sont ces modifications qui expliquent pour l'essentiel les évolutions de la force de pelage.
Figure 13. Champ de température lors d'une opération de calandrage multicouches; ce champ de température permet d'expliquer la structure développée dans la feuille coextrudée.
Mastère spécialisé d'Hedi Bouachir, co-encadré par Jean-François Agassant et Bruno Vergnes
En collaboration avec plusieurs partenaires industriels, nous avons testé la faisabilité d'un procédé d'insertion en continu de puces électroniques de petites dimensions dans des tubes en polymère. Des modèles thermomécaniques simples et une approche expérimentale sur machines de laboratoire ont permis de définir des conditions de procédé acceptables.
Mastère spécialisé d'Aristide Kollat, co-encadré par Jean-François Agassant , Rudy Valette et Evelyne Darque-Ceretti ( groupe SET)
Les propriétés rhéologiques et thermodynamiques de plusieurs formulations de maquillage ont été analysées et leur filabilité a été testée. Un modèle de filage instationnaire et non isotherme a été développé.
Cette année, les principales machines de transformation ont été regroupées dans deux salles spécifiques: la première comprend les deux lignes d'extrusion monovis de laboratoire, l'une dédiée à la fabrication de film à plat (cast film), l'autre au soufflage de gaine.
Nouvelle salle de transformation des polymères: lignes de soufflage de gaine et de cast-film.
La deuxième salle est consacrée aux procédés de mélange et de compoundage. Elle regroupe:
Dans le cadre de la thèse de T. Domenech (en collaboration avec le groupe PCP), nous avons pu aller effectuer des essais couplés de rhéométrie et de diffractions des rayons X aux petits angles sur la ligne Hasylab (Hamburg Synchrotron Radiation Laboratory) du synchrotron DESY à Hambourg. Il s'agissait de suivre l'évolution au cours du temps, sous écoulement et au repos, de la structure de nanocomposites à base de polypropylène et d'argile lamellaire. Les dépouillements de ces essais sont actuellement en cours d'analyse.
Rhéomètre monté sur la ligne de rayons X.
Au travail dans l'environnement synchrotron.
F. Démé, Réalisation de mélanges farines plastifiées / polyester thermoplastique par extrusion bi-vis pour des applications films (en co-tutelle avec le groupe PCP). D irecteurs de thèse: B. Vergnes, E. Peuvrel-Disdier
G. Boukellal, Détermination des paramètres non-linéaires constitutifs de lois de comportement viscoélastique par mesures de champ dans des écoulements complexes. Di recteur de thèse: J.-F. Agassant, maître de thèse: R.Valette
H. Miled, Modélisation de l'orientation de fibres induite par l'écoulement et comportement thermo-élastique anisotrope à l'état solide ( en co-tutelle avec le groupe CIM). Directeurs de thèse: T. Coupez, J.-F. Agassant, maître de thèse: L. Silva
Patrick Navard , Tatiana Budtova , Edith Peuvrel-Disdier
Les solutions, suspensions, mélanges, gels et autres structures complexes à base de polymères sont des systèmes dont l'organisation dépend fortement d'un grand nombre de paramètres physiques et mécaniques. La nature de ces organisations influe fortement la mise en forme de ces matériaux polymères ainsi que leurs propriétés d'usage. L'étude de la préparation de tels matériaux, de leurs organisations, de leurs propriétés physiques et rhéologiques a des enjeux scientifiques interdisciplinaires (biologie pour les matériaux biosourcés, thermodynamique, physique de la matière, physico-chimie, mécanique) qui forment le socle des travaux du groupe. Dans ce contexte, le groupe PCP a conduit ces dernières années des travaux de recherche dans trois domaines principaux:
Les objectifs sont la compréhension des mécanismes de dissolution de la cellulose issue de diverses sources, de la thermodynamique et rhéologie des solutions, de la régénération de la cellulose, de la mise en forme et la préparation de nouveaux matériaux.
Le but est de comprendre, contrôler et prédire la formation de différentes morphologies et structures obtenues sous écoulement dans des mélanges de polymères immiscibles afin d'améliorer les propriétés d'usage des produits finis. Les mélanges étudiés comprennent tous des composants biosourcés (amidon, PLA, PHA, dérivés de cellulose).
Les systèmes chargés sont variés et comprennent les suspensions de nano-charges, les suspensions d'agglomérats, les suspensions de granules d'amidon et de micro-gels synthétiques et les composites renforcés par des fibres végétales dans des matrices thermoplastiques ou autres (lignine). L'objectif est de comprendre le comportement des charges sous cisaillement, les mécanismes élémentaires de dispersion de charges sous forme d'agglomérats, les mécanismes de structuration et de déstructuration des charges sous écoulement et de relier ces informations au comportement rhéologique des systèmes chargés, à leur mise en forme et aux propriétés d'usage des produits finis.
Dans les deux derniers domaines, la rhéologie et la rhéo-optique sont des outils phares pour étudier l'évolution de la structure sous cisaillement.
Compréhension des interactions entre la cellulose et les autres composés présents dans la paroi végétale et influence de ces interactions sur la préparation de solutions et mélanges de cellulose
Propriétés des solutions de cellulose.
Préparation de mousses de cellulose ultra-légères
Échantillon d'aérocellulose.
Mélanges polybutylene adipate-co-terephthalate (PBAT)/amidon, étude menée en collaboration avec le groupe RPP:
Mélanges PBAT/amidon. Observés après dissolution de la phase d'amidon. Effet de la quantité d'energie mécanique.
Étude des mélanges cellulose-autres polysaccharides dans la N-méthylmorpholine N-oxide
Bioplastiques
Structure co-continue obtenue avec un mélange de bioplastiques.
Influence de la présence de lignine sur les propriétés de solutions de cellulose dans NaOH-eau, la régénération de cellulose et morphologie d'aérocellulose
Étude des mélanges polyamide6/polypropylène compatibilisés par un polypropylène greffé anhydride maléïque
Mécanismes de dispersion de charges agglomérées dans une matrice polymère: cas de la silice
Série de travaux où nous étudions de façon systématique les mécanismes élémentaires de dispersion de charges agglomérées comme le noir de carbone ou la silice et les paramètres clés de ces mécanismes. Observation in-situ des mécanismes pendant l'écoulement en utilisant la platine de cisaillement transparente contra-rotative.
Nanocomposites à base de polypropylène et d'argile lamellaire organiquement modifiée et compatibilisée par un polypropylène greffé anhydride maléïque, étude menée en collaboration avec le groupe RPP
T
Composites à base de lignine
Composites lignine-fibres de lin obtenu par compression.
Composites à base de polypropylène et fibres naturelles (Tencel, lin, blé, sisal)
Comportement d'un granule d'amidon gonflé et d'une goutte de suspension de granules d'amidon sous cisaillement
Déformation en écoulement de granules d'amidon.
Libération contrôlée de solvant à partir d'un micro-gel sous cisaillement
Roland Logé, Yvan Chastel , Nathalie Bozzolo , Marc Bernacki
La mission du groupe consiste à établir des liens entre la genèse de la structure des matériaux métalliques, son évolution, le comportement mécanique du métal au cours des procédés de mise en forme, l'éventuelle apparition de défauts et les propriétés finales d'une pièce. Les axes de recherche du groupe découlent de l'existence de ce couplage fort entre le procédé et la microstructure du matériau. Nous travaillons sur les procédés d'élaboration et de mise en forme: coulée, fonderie, poudres et mousses métalliques, emboutissage à froid et à chaud, forgeage, filage, laminage, tréfilage, fluotournage, déformations rapides.
Des essais mécaniques sont utilisés pour:
Certains essais sont assez standard (traction, compression, bipoinçonnement, torsion à froid et à chaud jusqu'à 1200°C), d'autres sont développés spécifiquement au laboratoire. Parmi ces derniers, on peut citer:
Les évolutions microstructurales étudiées sont principalement la recristallisation / restauration, la croissance de grains, l'endommagement (collaboration groupe M3P), et les changements de phase (collaboration groupe TMP).
Les microstructures métalliques sont quantifiées par microscopie optique et électronique, et en particulier par la technique EBSD. Ces quantifications sont destinées à alimenter les modèles numériques (voir ci-dessous), ou à les valider.
Fait original: le développement d'une platine chauffante permettant des mesures EBSD in situ dans le Microscope Electronique à Balayage (MEB) à intervalles réguliers de traitements thermiques courts mais pouvant aller jusqu'à 1200°C (voir Figure 1). Collaboration avec l'Université de Montpellier (projet ANR CrystalTex) pour des temps de traitement plus longs.
On distingue les approches homogénéisées ou moyennées, permettant de décrire le comportement statistique d'une microstructure, et le lien avec son comportement mécanique, des approches sur Volumes Elémentaires Représentatifs (VER) construits numériquement et maillés. Les deux approches sont en relation étroite l'une avec l'autre. La première permet de décrire les effets microstructuraux au sein de codes de calcul par éléments finis développés au laboratoire pour la description des procédés de mise en forme. La deuxième, appelée aussi Microstructure Digitale, permet d'étudier finement la micromécanique et les phénomènes physiques en jeu au cours des transformations microstructurales (voir Figure 2).
A. Tommasi, M. Knoll, A. Vauchez, J. Signorelli, C. Thoraval and R. Logé, Structural reactivation in plate tectonics controlled by olivine crystal anisotropy , Nature Geoscience, ISSN 1752-0894, Vol. 2(6), pp. 423-427, 2009.
M. Knoll, A. Tommasi, R.E. Logé and J.W. Signorelli, A multiscale approach to model the anisotropic deformation of lithospheric plates, Geochemistry, Geophysics, Geosystems (G3), ISSN 1525-2027, Vol. 10,Q08009, 2009.
M. Bernacki, H. Resk, T. Coupez, R.E. Logé, Finite element model of primary recrystallization in polycrystalline aggregates using a level set framework , Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., ISSN 0965-0393, Vol. 17 064006, 2009.
H. Resk, L. Delannay, M. Bernacki, T. Coupez and R. Logé, Adaptive mesh refinement and automatic remeshing in crystal plasticity finite element simulations , Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., ISSN 0965-0393, Vol. 17 075012, 2009.
N. Souaï, N. Bozzolo, L. Nazé, Y. Chastel, and R. Logé, About the possibility of grain boundary engineering via hot-working in a nickel-base superalloy , Scripta Materialia, Vol. 62, No 11, pp. 851–854, 2010.
Z. Sun, R. Logé, M. Bernacki, 3D finite element model of semi-solid state permeability in an equiaxed granular structure , Comp. Mater. Sci., 49, 158-170, 2010.
Dmitri A. Molodov and Nathalie Bozzolo , Observations on the effect of a magnetic field on the annealing texture and microstructure evolution in zirconium , Acta Materialia 58 (2010) 3568-3581
Nathalie Bozzolo , Lisa Chan, and Anthony D. Rollett, Misorientations induced by Deformation Twinning in Titanium , Journal of Applied Crystallography 43 (2010) 596-602
D. Arl, S. Dalmasso, N. Bozzolo, Y. Zhang, J.-J. Gaumet, J.-P. Laurenti, Physical and chemical analyses on single source precursor growth CdSe semiconductor nanomaterials , Materials Chemistry and Physics 124 (2010) 129–133
N. Bozzolo, S. Jacomet, M. Houillon, B. Gaudout and R.E. Logé, EBSD coupled to SEM in-situ annealing as a tool to identify early recrystallization mechanisms in Zr and Ta alloys , ReX & GG IV - 2010, to be printed
Figure 1: Évolution de microstructure de l'acier 304L en conditions de traitement thermique in situ (chauffage à l'intérieur du MEB). La flèche indique les temps de traitement croissants, et les lignes rouges correspondent aux macles.
Figure 2: Modélisation numérique de la déformation plastique et de la recristallisation statique d'un volume élémentaire polycristallin.
Les activités du groupe sont centrées autour de l'élaboration de matériaux par solidification. Elles visent à l'établissement de liens entre les structures et les ségrégations chimiques qui résultent de l'étape de solidification et les propriétés de mise en forme ultérieures, voire les propriétés finales des matériaux. L'objectif est d'insérer la mise en forme par solidification dans la démarche de contrôle des paramètres de tous les procédés utilisés pour accéder aux propriétés d'usage souhaitées pour les matériaux.
Les études ont porté sur les alliages métalliques base nickel et base fer, le silicium pour applications photovoltaïques et le polyamide. Les financements proviennent d'industriels français (financement ANR T sous convention CIFRE), de l'Agence Nationale de la Recherche (programmes BLANC et HABISOL) et de l'Agence Spatiale Européenne (Microgravity Application Programme). Les collaborations au Centre de Mise en Forme se font principalement avec les groupes de recherche ThermoMécanique et Plasticité (TMP) et Calcul Intensif en Mise en forme (CIM). Les collaborations sont menées en France, principalement avec les groupes de BernardBILLIA à Marseille, de MichelSUERY à Grenoble, et de HervéCOMBEAU à Nancy, mais également à l'étranger avec les groupes de DieterHERLACH à Cologne (Allemagne), de HaniHENEIN à Edmonton (Canada), et de Hongwei ZHANG à Shenyang (Chine), et de Michel RAPPAZ à Lausanne (Suisse).
Plusieurs nouvelles études sont prévues pour la rentrée 2011. Il s'agit de thèmes de recherche nouveaux pour le groupe, allant du procédé de soudage aux transformations de phases à l'état solide. Les partenariats actuels dans le domaine de la solidification des métaux se poursuivent également avec les industries françaises et verront partir de nouvelles actions de recherches autour de la modélisation et du logiciel THERCAST commercialisé par TRANSVALOR .
Call for contributions to a numerical benchmark problem for 2D columnar solidification of binary alloys. M. Bellet , H. Combeau, Y. Fautrelle, D. Gobin, M. Rady, E. Arquis, O. Budenkova, B.Dussoubs, Y. Duterrail, A. Kumar, C.A. Gandin, B. Goyeau, S. Mosbah and M. Zalo-nik, International Journal of Thermal Sciences 48 (2009) 2013-2016, 49 (2010) 1318.
Experimental and numerical modeling of segregation in metallic alloys. S. Mosbah, M. Bellet, Ch.-A.Gandin, Metallurgical and Materials Transactions 41 (2010) 651-669.
Prediction of Solidification Paths for Fe-C-Cr Alloys by a Multiphase Segregation Model coupled to thermodynamic equilibrium calculations . Hongwei Zhang, Charles-André Gandin , Haithem Ben Hamouda, Damien Tourret, Keiji Nakajima, Jicheng He, ISIJ International 50 (2010) 1859-1866.
Modeling of solidification: grain structures and segregations in metallic alloys . Charles-André Gandin , Compte Rendus Physique 11 (2010) 216-225. doi:10.1016/j.crhy.2010.07.010.
Droplet Solidification of Impulse Atomized Al-0.61Fe and Al-1.9Fe . Hani Henein, Vincent Buchoud, Ralf-Roman Schmidt, Chuck Watt, Dmitri Malahof, Charles-André Gandin , Gérard Lesoult, Volker Uhlenwinkel, Canadian Metallurgical Quarterly 49 (2010) 275-292 (2010).
Modelling of Heat and Solute Interactions upon Grain Structure Solidification. Ch .-A.Gandin, J.Blaizot, S.Mosbah, M.Bellet, G.Zimmermann, L.Sturz, D.J.Browne, S.McFadden, H.Jung, B.Billia, N.Mangelinck, H.Nguyen-Thi, Y.Fautrelle, X.Wang, in Proceedings of the Solidification and Gravity conference, editors A. Roósz, V. Mertinger, P. Barkóczy, Cs. Hoó, Materials Science Forum 649 (2010) pp.189-198. Trans Tech Publications, Switzerland.
CAFE Modelling of Segregation and Structure in Levitated Droplets . S. Mosbah, M. Bellet, Ch.-A. Gandin, in Proceedings of the Solidification and Gravity conference, editors A. Roósz, V. Mertinger, P. Barkóczy, Cs. Hoó, Materials Science Forum 649 (2010) pp.237-242. Trans Tech Publications, Switzerland.
Direct Modeling of Structure Formation. Ch.-A.Gandin, I.Steinbach, in Fundamentals of Modeling for Metals Processing, ASM, Materials Park, OH, D. U. Furrer and S. L. Semiatin, Handbook 22A (2010) 312-322.
Modeling of dendritic grain solidification. Ch.-A.Gandin, A. Jacot, in Metals Process Simulation, ASM, Materials Park, OH, D.U. Furrer and S.L. Semiatin, Handbook 22B (2010) 228-239.
Formation of Microstructures, Grain Textures, and Defects during Solidification. A. Jacot, Ch.-A.Gandin, in Metals Process Simulation, ASM, Materials Park, OH, D.U. Furrer and S.L. Semiatin, Handbook 22B (2010) 214-227.
Pierre Montmitonnet , Alain Burr , Evelyne Darque-Ceretti, Eric Felder , Bernard Monasse , François Delamare (conseiller scientifique)
Le groupe a pour vocation d'étudier les phénomènes de surface et d'interface et les propriétés résultantes dans les procédés de mise en forme des matériaux et d'assemblage (contacts produit / outils), et lors des traitements de surface: frottement, lubrification, usure, évolution de composition chimique superficielle ou de rugosité, adhérence. Composé de physico-chimistes des surfaces et de mécaniciens du contact, il caractérise les surfaces et interfaces des matériaux en termes de propriétés mécaniques et chimiques, du micromètre au nanomètre.
Thèmes de recherche et applications:
Nos outils: analyses de surface(EDXS, XPS, ToF-SIMS); modélisation moléculaire (enthalpies de liaison, spectres d'absorption), théorie physico-chimique (mouillage, théorie acide-base, solubilité), mécanique expérimentale et numérique.
Dans nos activités, ce thème compte traditionnellement deux volets:
On range aussi dans cette rubrique l'étude du décalaminage, c'est-à-dire de l'élimination des couches épaisses d'oxydes de fer lors du laminage à chaud des aciers (encadré 1): un jet d'eau sous pression vient brutalement refroidir la surface oxydée (métal / céramique), dont la contraction différentielle fait naître de fortes contraintes, successivement en tension (→ fissuration) puis en compression. Cette séquence fait décoller les fragments d'oxyde.Pour analyser ces phénomènes, on a dû implanter dans Forge® un modèle CZM (Cohesive Zone Modelling) de décollement substrat – revêtement. L'étude montre l'importance des conditions de décalaminage (temps de passage sous le jet, coefficient de transfert thermique...) sur l'efficacité de cette opération.
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Nos outils: Forge® et autres logiciels éléments finis, tribomètres dédiés procédé, essais mécaniques, indentations, microscopies et analyses de surfaces.
Au-delà des lois phénoménologiques simples (frottement de Coulomb, loi d'usure d'Archard...) et du délicat problème de la mesure tribométrique, nos travaux visent à construire des modèles de frottement et d'usure fondées sur l'usage de variables internes (aire réelle de contact, épaisseur locale de lubrifiant...) et sur l'étude, expérimentale et numérique, des phénomènes qui se produisent à l'échelle microscopique. Les systèmes abordés fonctionnent en lubrification mixte (laminage, emboutissage) ou hydrodynamique (tréfilage). Le contact sec n'est pas oublié: l'usure à deux corps et à trois corps est abordée, par une approche globale stochastique et/ou une démarche locale déterministe par simulation numérique.
Sur la modélisation de la lubrification du laminage à froid, les travaux en cours affinent la description thermique du système et son impact sur la lubrification, dans le cadre d'un projet RFCS coordonné par ArcelorMittal; centré sur la mesure en situation réelle, cette action nous permettra de plus de bénéficier de données microscopiques in situ, ce qui est important pour la validation et l'évolution future des modèles. Une autre étude qui vient d'être lancée porte sur l'hérédité d'état de surface en emboutissage / étirage d'acier pour emballage. Description du frottement, lien entre rugosité initiale, frottement et aspect de surface final sont les principaux objectifs de cette étude Mastère.
Dans le cas d'un contact polymère – métal sous haute pression, nousmettons en évidence (encadré 2) l'influence d'un phénomène étudié de longue date dans SET, le transfert adhésif de particules d'usure abrasives, et son influence sur le frottement. La création de particules d'usure du polymère, formant le 3ème corps, entraîne une augmentation du frottement, parce que le frottement polymère – polymère est, nous l'avons vérifié, supérieur au frottement polymère – métal. Il s'ensuit une dérive progressive du frottement au fur et à mesure que le 3ème corps recouvre plus complètement le métal. Au-delà d'un certain taux de recouvrement, le frottement se stabilise à la valeur polymère – polymère. Nous avons construit un modèle décrivant ces flux et transferts de particules, en supposant qu'une partie adhère au pion en polymère, et l'autre à la piste métallique. Le modèle rend bien compte des évolutions, tant de la couche de transfert que du frottement. Son application à un problème d'assemblage permet de comprendre l'état des surfaces à la fin du procédé, donc la résistance de cet assemblage.
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Nos outils: Forge®, indentations (macro-, micro- et nano-), microscopies et analyses de surfaces.
Nous étudions depuis longtemps les essais mécaniques adaptés aux films minces (indentation, rayure, flexion, traction), pour en tirer des caractéristiques intrinsèques des matériaux de revêtement et des données sur leur adhésion à leur substrat. Nous conjuguons caractérisation physique et modélisation numérique (FORGE®) pour mesurer les propriétés mécaniques et l'endommagement de multicouches.
Nous avons conçu et réalisé une machine de micro-indentation à chaud, destinée à l'étude des propriétés mécaniques à haute température (1000°C) des oxydes naturels et des traitements ou revêtements de surface. Une caractéristique fondamentale est la ténacité du matériau et de son interface avec son substrat; il faut donc pouvoir observer les fissures éventuelles à chaud, avant qu'elles ne se propagent lors du retour à température ambiante. Nous avons donc doté l'appareil d'une caméra, protégée de sorte à pouvoir faire des mesures dans ces conditions hostiles.
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Nos outils: DL_POLY (dynamique moléculaire), Octa (méthodes mésoscopiques), HyperChem, CAChe, Gaussian et VASP (méthodes quantiques).
Apportant à nos collègues notre compétence en modélisation par Dynamique Moléculaire, nous sommes par exemple en train d'étudier avec le groupe MSR les propriétés mécaniques et la cavitation du fer à haute température. Avec PCP, nous avons détaillé cette année les mécanismes biologiques de formation de nanofibrilles (NF) de cellulose (encadré 4). Ce mécanisme élémentaire de croissance des plantes s'effectue à travers une paroi membranaire. Les lieux d'émergence des molécules forment une structure hexagone hiérarchique. Six molécules de cellulose émergentes s'organisent pour former une NF cristalline. Six NF voisines s'organisent alors pour donner une fibrille cristalline comportant 36 molécules de cellulose. La fibrille émergeante se fixe sur la paroi membranaire, en vis-à-vis de la paroi primaire de cellulose. Comme les deux parois ne peuvent se déplacer que parallèlement l'une par rapport à l'autre, la fibrille en croissance repousse la paroi. Ce déplacement d'une paroi par rapport à l'autre est le mécanisme de base de la croissance végétale. Pour mieux le comprendre il faut connaître le mécanisme de formation des NF et leurs propriétés mécaniques.
L'organisation des six molécules en NF a été étudiée par Dynamique moléculaire «tous atomes»: le champ de force (Dreiding) prend en compte la nature des interactions pour chacun des atomes des molécules de cellulose et de la membrane phospholipidique. Les molécules sortant de la membrane sont adsorbées sur celle-ci. Elles progressent sur la surface pour se rejoindre et former une NF (Fig. 1). Quand deux NF se rejoignent, elles cristallisent ensemble, augmentant la rigidité de la structure moléculaire.
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La nature des interactions des atomes avec ceux de la membrane et des autres molécules de cellulose est l'une des clés de l'organisation. Il faut qu'elles interagissent avec la membrane pour progresser à la surface. Il faut qu'elles interagissent plus fortement entre elles pour former une NF, puis un assemblage de NF suffisamment rigides pour appliquer la contrainte nécessaire au déplacement d'une paroi par rapport à l'autre et la croissance végétale. Les liaisons hydrogène entre molécules de cellulose sont l'élément clé pour assurer l'organisation et les propriétés mécaniques des fibrilles.
Nos outils: analyses de surface; microscopies; rugosimétrie; colorimétrie...
Pour ce qui est de la fonctionnalisation, nous nous intéressons depuis plusieurs années tant à la physicochimie de l'adsorption de colorants sur des fibres textiles, et son impact sur la couleur, qu'à l'adsorption de matière organique sur des pigments minéraux pour améliorer leur dispersion dans divers milieux. Le projet CARNOT MINES «SensoMines», dans lequel nous sommes associés aux Écoles des Mines d'Alès et de Saint-Etienne, constitue un cadre idéal pour étendre les travaux précédents. Prenant en compte la chimie de surface, leur topographie, les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux, nos études visent à donner une appréciation globale de la qualité sensorielle des objets. Parmi les sujets en cours, mentionnons une thèse sur la mise en forme par calandrage de plaques de revêtement de sols, le lien entre le procédé et l'aspect de surface et les propriétés de transparence dans l'optique d'un éclairage intégré.
Sur ce thème des propriétés, en l'occurrence visuelle, l'étude illustrée ci-dessous concerne un nouveau système, la fonctionnalisation des surfaces de béton (protection, coloration, introduction d'agents actifs, etc.). L'un des pans de cette étude consiste à provoquer la croissance de cristaux de Ca(OH)2 en surface du béton en appliquant certains types de tensioactifs sur les parois des coffrages. Les cristaux bouchent la porosité de surface et améliorent la durabilité des bétons en les protégeant des attaques extérieures (pollution, pénétration d'eau, etc.).
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Le groupe est parti d'un cœur de métier dans les phénomènes de surface et d'interface pendant la mise en forme, puis lors des procédés d'assemblage. Une deuxième gamme d'applications, qui se renforce depuis quelques années, cherche à améliorer les propriétés de surface finales, sensibles, des matériaux, celles que leur confèrent la mise en forme et l'assemblage, mais aussi les traitements complémentaires, qu'on les appelle finition, ennoblissement, traitement de surface... qui sont donc de plus en plus présents dans nos études.
Nous constatons aussi, de plus en plus, le besoin de considérer toute l'hérédité des défauts ou propriétés de surface, tant il est vrai que l'état final fait intervenir à des degrés divers tous les stades de la fabrication. D'une certaine façon, cette tendance fait converger les deux types d'applications. Dans tous les cas, une partie conséquente des études nécessite l'interaction de la physico-chimie des surfaces, avec ses fondements de chimie analytique, et la tribologie mécanique, avec ses modèles micromécaniques. Des deux côtés, nous avons recours à la simulation numérique à toutes les échelles.
Ces constantes et ces évolutions ont justifié le profond renouvellement de nos moyens expérimentaux ces dernières années, montages internes ou achats, renouvellement d'appareils existants ou nouvelles techniques de mesure: ToF-SIMS puis XPS, AFM, micro-indentation à chaud, colorimétrie et spectro-photométrie... techniques qui tendent à prendre le pas sur les essais tribologiques mécaniques qui avaient été développés dans les périodes précédentes. Il nous faut sans doute maintenant réfléchir à ces deniers, les faire évoluer, par exemple vers la mesure in-situ toujours riche d'enseignements concrets, identifiant des mécanismes pour servir de base à la modélisation.
Michel Bellet , Elisabeth Massoni
L'activité est centrée sur la modélisation des phénomènes thermomécaniques en mise en forme des métaux. Du point de vue des procédés étudiés, les études sont principalement focalisées sur les procédés de solidification (en incluant le soudage), de compaction de poudres, de traitements thermiques, et de mise en forme de tôles. En terme de thématiques scientifiques, les principaux axes de recherche sont : les couplages entre thermomécanique du solide et écoulements de fluide, entre comportement plastique (petites ou grandes déformations) et évolutions microstructurales, et la prédiction d'apparition de défauts. Ces recherches sont associées au développement de logiciels de simulation permettant la compréhension et l'optimisation des procédés industriels. Ceci nécessite une interaction forte entre les thématiques précédentes et les méthodes numériques : méthodes lagrangiennes-eulériennes, estimation d'erreur, remaillage adaptatif, changements d'échelle. L'activité récente du groupe peut être décomposée en 4 thèmes, décrits très synthétiquement ci-dessous.
Les recherches visent à la résolution simultanée d'une part des équations de Navier-Stokes (avec termes complémentaires de type Darcy dans les zones pâteuses) qui gouvernent les écoulements de phase liquide, et d'autre part de la thermomécanique des régions solidifiées. Quelques exemples d'application :
Un sous-thème concerne l'identification de lois de comportement des aciers à très haute température (collab. groupe MSR). Ce travail est basé sur une instrumentation spécifique d'essais de traction avec chauffage résistif et chargement mécanique non monotone : imagerie infrarouge, mesure de champ de déplacement par speckles laser. L'identification repose sur une analyse inverse par éléments finis, couplant les problèmes électrique, thermique et mécanique.
Les recherches portent sur l'étude couplée fluide-solide lors du chauffage dans les fours et au cours du refroidissement dans les bacs de trempe. La collaboration avec le groupe CIM qui a développé les techniques numériques de «level-set» et de domaines immergés a permis d'aller plus loin dans le couplage thermomécanique, en particulier dans la prise en compte des transferts thermiques à l'interface des pièces solides. Pour le chauffage il s'agit d'évaluer l'influence des conditions de chauffe et des caractéristiques des fours industriels sur la distribution de température dans les pièces. Pour la trempe, des modèles d'ébullition devraient permettre de raffiner la connaissance des gradients thermiques à la surface de la pièce en fonction des caractéristiques du fluide de trempe.
La mise en forme de produits minces concerne:
Il est important de simuler correctement le comportement du matériau au cours de ces procédés (ainsi que le retour élastique), d'analyser précisément les événements de contact pièce-outils et de représenter le plus fidèlement possible les cinématiques des outils. C'est pourquoi le comportement thermomécanique avec écrouissage isotrope, anisotrope et cinématique est modélisé dans un repère local embarqué avec la matière ou fixe par rapport au laboratoire. Les paramètres de ces modèles de comportement sont identifiés via des essais mécaniques développés spécifiquement au laboratoire comme l'essai de flexion pure, l'essai de gonflage hydraulique. Les phénomènes de rupture et de plissement sont également étudiés par le développement de moyens d'analyse comme la corrélation d'images permettant d'alimenter des critères d'apparition de ces défauts.
La gestion précise du contact est également un point important car contrairement à d'autres procédés de déformation en volume, la majeure partie des nœuds du maillage de la pièce étudiée est en contact avec les outils (de l'ordre de 80%). De plus ces zones de contact peuvent évoluer dynamiquement au cours de la simulation comme dans le cas du fluotournage. Il s'agit donc de suivre correctement ces contacts et la qualité des maillages correspondants. Pour cela des méthodes ALE de suivi et de raffinement de maillage sont développées spécifiquement.
L'objectif est ici de construire une modélisation numérique des phénomènes concourant à la déformation plastique à l'échelle de la microstructure. Deux exemples :
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H.M. Aarbogh, M. Hamide, H.G. Fjaer, A. Mo, M. Bellet, Experimental validation of finite element codes for welding deformations , J. Mat. Proc. Tech. 210 (2010) 1681-1689
C.-A. Gandin, J. Blaizot, S. Mosbah, M. Bellet, G. Zimmermann, L. Sturz, D.J. Browne, S. McFadden, H. Jung, B. Billia, N. Mangelinck, H. Nguyen Thi, Y. Fautrelle, X. Wang, Modeling of heat and solute interactions upon grain structure solidification , Mater. Sci. Forum 649 (2010) 189-198
S. Mosbah, M. Bellet, Ch.-A. Gandin, CAFE Modeling of segregation and structure in levitated droplets , Mater, Sci. Forum 649 (2010) 237-242
S. Mosbah, M. Bellet, Ch.-A. Gandin, Experimental and numerical modeling of segregation in metallic alloys , Mater. Metall Trans. A 41 (2010) 651-669
C. Pradille, M. Bellet, Y. Chastel, A Laser Speckle Method for Measuring Displacement Field. Application to Resistance Heating Tensile Test on Steel , Applied Mechanics and Materials 24 (2010) 135-140
C. Zhang, M. Bellet, M. Bobadilla, H. Shen, B. Liu, A Coupled Electrical-Thermal-Mechanical Modeling of Gleeble Tensile Tests for Ultra-High-Strength Steel at a High Temperature , Metall. Mater. Trans. A 41 (2010) 2304-2317
E. Hachem, H. Digonnet, N. Kosseifi, E. Massoni, T. Coupez, Enriched finite element spaces for transient conduction heat transfer , Applied Mathematics and Computation 217 (2010) 3929-3943
H. Combeau, M. Bellet, Y. Fautrelle, D. Gobin, E. Arquis, O. Budenkova, B. Dussoubs, Y. Duterrail, A. Kumar, S. Mosbah, M. Rady, C.A. Gandin, B. Goyeau, M. Zalo-nik, Formation de macroségrégations pendant la solidification d'un alliage Sn-Pb: Synthèse des premiers résultats d'un benchmark, Matériaux 2010, Invited Conf. in Colloquium «Procédés d'Elaboration», October 18-22, 2010, Nantes
P. Mondalek, L. Silva, M. Bellet, Modélisation numérique électrique-thermique-mécanique du procédé de frittage flash , Matériaux 2010, Invited Conf. in Colloquium «Procédés d'Elaboration», October 18-22, 2010, Nantes
E. Massoni, Une méthode de résolution du temps de calcul: application à la simulation du soudage et de la mise en forme incrémentale, Conférence du PNB Apports de la simulation numérique dans les procédés métallurgiques: l'expérience de l'industrie nucléaire, 11 février 2010, Centre Condorcet, Le Creusot.
M. Bellet, P. Mondalek, L. Silva, Numerical Modelling of SPS Process , Proc. 13th Int. Conf. on Metal Forming, Toyohashi, Japan, 18-22 September 2010, K. Mori et al. (ed.), Steel Research Int. 81 (2010) 1340-1343.
H. Combeau, M. Bellet, Y. Fautrelle, D. Gobin, M. Rady, E. Arquis, O. Budenkova, B. Dussoubs, Y. Duterrail, A. Kumar, Ch.-A. Gandin, B. Goyeau, S. Mosbah, M. Zalo-nik, Benchmark sur la simulation des macroségrégations lors de la solidification d'un alliage : première synthèse , Actes du Congrès de la Société Française de Thermique 2010, Le Touquet, 25-28 mai (2010) 493-498.
H. Combeau, M. Bellet, Y. Fautrelle, D. Gobin, E. Arquis, O. Budenkova, B. Dussoubs, Y. Duterrail, A. Kumar, S. Mosbah, M. Rady, C.A. Gandin, B. Goyeau, M. Zalo-nik, Formation de macroségrégations pendant la solidification d'un alliage Sn-Pb: Synthèse des premiers résultats d'un benchmark, Matériaux 2010, October 18-22, 2010, Nantes, DVD-Rom published by Fédération Française des Matériaux, ISBN 978-2-9528-1403-4 (2010) 9 pages.
P. Mondalek, L. Silva, L. Durand, M. Bellet, Numerical Modelling of thermal-electrical phenomena in spark plasma sintering , Proc. Numiform2010, 10th Int. Conf. on Numerical Methods in Industrial Forming Processes, Pohang, South Korea, 13-17 June 2010, F. Barlat (ed.), American Institute of Physics (2010) 697-704.
P. Mondalek, L. Silva, M. Bellet, Modélisation numérique électrique-thermique-mécanique du procédé de frittage flash , Matériaux 2010, October 18-22, 2010, Nantes, DVD-Rom published by Fédération Française des Matériaux, ISBN 978-2-9528-1403-4 (2010) 10 pages.
C. Pradille, M. Bellet, Y. Chastel, A Laser Speckle Method for Measuring Displacement Field. Application to Resistance Heating Tensile Test on Steel , in Advances in Experimental Mechanics VII, Proc. 7th BSSM Int. Conf. on Advances in Experimental Mechanics, Liverpool, 7-9 September 2010, R.A.W. Mines and J.M. Dulieu-Barton (eds.), Applied Mechanics and Materials 24 (2010) 135-140.
B. Revil-Baudard, E. Massoni, Implementation of an evolving non quadratic anisotropic behaviour for the closed packed materials , Proc. Numiform2010, 10th Int. Conf. on Numerical Methods in Industrial Forming Processes, Pohang, South Korea, 13-17 June 2010, F. Barlat (ed.), American Institute of Physics (2010) 228-234
L. Fourment, M. Assidi, E. Massoni, 3D simulation of steady and non-steady phases of FSW based on adaptative ALE formulation – calibration of friction coefficient from welding experiments , FSWP 2010, Int. Conf. on Scientific and Technical Advances on Friction Stir Welding and Processing, Lille, 28-29 janvier 2010.
E. Massoni, M. Houillon, R. Logé, Development of ALE methods for incremental forming simulations , Int. Conf. AMPT, Advances in Materials and Processing Technologies, Paris 24-27 octobre 2010.
REVIL-BAUDARD Benoît, Simulation du comportement mécanique des alliages de titane pour les procédés de mise en forme à froid de produits plats , Thèse de Doctorat en Mécanique Numérique, Mines-ParisTech, 6 juillet 2010.
TOK Aurélia, Modélisation de la mise en forme d'alliages d'aluminium à l'état semi-solide , Advanced Master in Materials Engineering, septembre 2010.
BOULAY Antoine, Identification de lois de comportement élasto-plastiques, application au pliage alterné de tôles épaisses en acier , Advanced Master in Computational Mechanics, septembre 2010.
SABY Michel, Influence de la microstructure sur le comportement rhéologique du Ti6-4 , Advanced Master in Materials Engineering, septembre 2010.
LIU Bo, Développement dans FORGE et LAM3 d'un modèle de prévision des évolutions microstructurale et dimensionnelle d'aciers laminés à chaud , Advanced Master in Computational Mechanics, septembre 2010.
Noëlle Billon, Christelle Combeaud
Le groupe Mécanique Physique des Polymères Industriels, poursuit son développement autour de ses axes fondateurs:
Le laboratoire dispose désormais de moyens d'essais uni-axiaux, bi-axiaux et en cisaillement autorisant des essais non monotones en température sur une gamme de vitesse de 10-4 à 100 s-1 couplés à des mesures de champs de déformation et de température.
Fig. 1: Eprouvettes de traction uni et bi axiale; Mouchetis de corrélation d'image.
Ainsi des études de la visco élasticité de films polymères minces sous sollicitations bi axiales ont-elles pu être menées soit en grandes déformations soit pour des niveaux inférieurs à 5 % de déformation (Fig. 2). Ces essais permettent d'espérer un meilleur contrôle de la stabilité dimensionnelle de certains objets thermoformés.
Fig. 2: Séquence traction – relaxation d'un film en conditions biaxiales.
La dernière étape est la synchronisation d'une mesure par thermographie infra rouge
Fig. 3: Synopsis d'une mesure thermomécanique complète en traction uni axiale.
Parallèlement aux efforts pour une caractérisation sans ambiguïté, le travail de modélisation se poursuit. L'objectif général est de proposer un cadre thermodynamique (3D) dédié aux polymères solides et caoutchoutiques.
Les démarches sont menées dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles et dans un formalisme compatible avec les grandes transformations. On peut ainsi garder le même cadre général pour modéliser la mise en œuvre par étirage et les propriétés d'emploi des polymères. On peut aussi espérer modéliser y compris les grandes déformations visco-élastiques des polymères tout en permettant l'intégration de modèles de comportement thermo mécaniquement couplés, ou plus généralement ouverts à une prise en compte de couplages physique (voire chimie) - mécanique.
L'approche s'appuie sur un modèle physiquement basé. Le cadre général choisi est la statistique de chaîne et plus précisément les modèles de réseau. Ces modèles sont modifiés pour introduire des effets anélastiques de nature soit visco-élastique soit plastique. L'intégration directe de l'équivalence temps/température dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles permet de rendre compte des effets combinés de la vitesse de sollicitation et de la température avec un nombre limités de paramètres.
Des lois d'évolutions originales sont déduites, qui dépendent directement du coefficient de Taylor-Quinney (qui traduit le pourcentage d'énergie mécanique dissipée transformée en chaleur) et de son évolution en fonction de la vitesse de déformation à la température de référence.
Nous proposons donc ici une prise en compte directe des couplages thermomécaniques (variation de température lors d'une déformation). L'efficacité de ce formalisme a été démontrée sur des polymères de natures différentes au-dessus ou au voisinage de la transition vitreuse. Il s'agit de polymères amorphes linéaires (PMMA), de mélanges d'amorphes greffés (HIPS), de semi cristallin (PA), de thermodurcissables (PU) ou encore PET (cristallisation sous charge). A chaque fois des considérations physiques sur le matériau aident à ajuster les lois d'évolution des paramètres.
L'année 2010 nous a permis de finaliser un protocole d'identification des paramètres sur la base des mesures mécaniques et thermiques précédentes. La procédure d'identification, a été encapsulée dans un programme intitulé «Modélisation et Identification de Loi de Comportement pour les Polymères Industriels» (MILCPI) permettant de résoudre au choix l'identification purement mécanique ou l'identification avec couplage (au point) soit fort soit faible. La méthodologie d'identification permet de faire à la fois de l'étude de sensibilité sur les paramètres ou les lois d'évolution du modèle et de l'identification par méthode inverse (optimisation d'une fonction objectif, ici l'écart au moindre carré entre les courbes thermiques et mécaniques). Un exemple de résultat obtenu en combinant traction et cisaillement est présenté sur la Figure 4.
Figure 4: Comparaisons entre les courbes de traction et de cisaillement mesurées et calculées.
Pour ce jeu de paramètres, il est nécessaire de consacrer trois jours de calcul sur la base expérimentale comprenant une trentaine de courbes. Ce qui reste important pour une utilisation efficace et intégrable de notre méthodologie. Une piste a donc été explorée, elle consiste à utiliser des méthodes de krigeage couplées à des méthodes de surfaces réponses développées au laboratoire et de coupler notre logiciel MILCPI avec le programme d'identification MOOPI (outil générique d'optimisation développé au CEMEF par Emile Roux (M3P)). De plus les surfaces réponses permettent de conduire plus facilement des études de sensibilités et de distinguer plus précisément les paramètres couplés (Figure 5). Les temps de calculs sont réduits à une journée.
Figure 5: Exemple d'une surface réponse illustrant les valeurs de la fonction objectif dans un espace à deux paramètres.
Tout ce potentiel, caractérisations, modélisations, identification, permet d'envisager l'étude complète du comportement thermomécanique couplé des polymères en fatigue par exemple.
Menary G.H., Tan c.W., Amstrong C.G., Salomeia Y., Picard M., Billon N., Harkin-Jones E.M.A. Validating Injection Stretch-Blow Molding; Experimental and continuum mechanical modeling , Polym. Eng. Sci. 50, 5:1047-1057 (2010)
Andriyana Andri, Billon Noëlle, Silva Luisa , Mechanical response of a short fiber-reinforced thermoplastic: Experimental investigation and continuum mechanical modelling , European Journal of Mechanics A/Solids 29: 1065-1077 (2010)
Andriyana A., Silva L., Billon N. Viscoelastic characterisation of short fibres reinforced thermoplastic in tension and sheraing In Applied Mechanics and Materials , Advances in Experimental Mechanics, vol 24-25:419-423 (2010)
Billon N., Maurel-Pantel A., Baquet E., Bikard J. Coupled thermomechanical modelling of behaviour of polymers based on revisited , network theory, Model and experimental identification 4th Conf. on Polymer Behaviour – IUPAC, Lodz, Pologne (20-23 sept 2010).
BILLON N. Approche visco hyperélastique basée sur une théorie de réseau . Matériaux 2010, Nantes (18-22 oct 2010)
E. Baquet , J. Bikard, BILLON N., Thermomechanical constitutive modelling for semi crystalline polymers at a meso scale , AERC 2010 6th An. European Rheology Conference, Göteborg, Suède (07-09 Arpi 2010)
BILLON N. Constitutive Model for polymers in the rubber like state; How to use chain statistic , 26th Annual Meeting, of the Polymer Processing Society, PPS-26, Banff, Canada, (04-08 juil. 2010)
BECKER S., COMBEAUD C., FOURNIER F., RODRIGUEZ J., BILLON N., Biaxial tension on polymer in thermoforming range , 14th Int. Conf. on Exp. Mech. ICEM 14, Poitiers, France, (04-09 juil. 2010)
CONSIL A., Laiarinandrasana L., BILLON N., Visco-Hyperelastic Behaviour of Polyurethane Under Thermo-mechanical Loading , 9th World Congress on Computational Mechanics (WCCM) and 4th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2010), Sidney, Australie (19-23 jul 2010)
Maurel-pantel A., Baquet E., Bikard J. Modélisation des couplages thermomécaniques dans les polymères . Identification des paramètres constitutifs et validation expérimentale, DEPOS 23, Guidel-plages (Lorient) (29 sept-01 oct 2010)
Andriyana A., Silva L., Billon N. Viscoelastic Characterization of Short Fibres Reinforced Thermoplastic in Tension and Shearing , 7th Int. Conf on Advances in Experimental Mechanics, Liverpool, UK (1-6 sept 2010)
Thierry Coupez , Lionel Fourment , Patrice Laure (Lab. J.A Dieudonné, UNSA), Hugues Digonnet , Luisa Silva , Rudy Valette , Marc Bernacki , Elie Hachem
Le groupe poursuit ses activités dans le domaine de la mécanique numérique, avec le développement de la bibliothèque CimLib, écrite en C++. Ses caractéristiques phares, décrites dans la première partie de ce rapport, sont : une base éléments finis, haut degré de parallélisme, adaptation de maillage anisotrope, méthodes de stabilisation performantes, calcul de surfaces libres ou interfaces par des méthodes robustes ; validation automatique et mise à disposition sur un serveur de partage de projet. Ces composants numériques efficaces sont bien valorisés dans leur utilisation pour le développement de logiciels industriels (deuxième partie).
Développements scientifiques
Adaptation anisotrope en dynamique et en parallèle (3D) basée sur une carte de métrique et sur des estimateurs d'erreurs anisotropes 3D sur le gradient des fonctions ou sur la distribution de la longueur des arêtes, avec contrôle du nombre d'éléments (T. Coupez, Metric construction by length distribution tensor and edge based error for anisotropic adaptive meshing, accepté par Journal of Computational Physics (2010)). Application à l'injection de fluides très visqueux, en configuration multi-injecteurs et multi-fluides.
Injection d'un fluide très visqueux sur une couche déjà existante dans la cavité et par quatre points d'injection différents: visualisation du maillage adapté aux interfaces de façon anisotrope.
La résolution est basée sur un seul maillage, où les différents objets sont définis par des fonctions de phase (des fonctions level-set, fixes ou convectées par une équation de transport-réinitialisation). Un couplage monolithique est effectué au niveau des solveurs : un modèle unique fortement hétérogène (les hétérogénéités étant les sous-domaines) est résolu sur tout le domaine de calcul. Cette approche est rendue possible et efficace par une adaptation de maillage performante aux interfaces entre les différents objets et le haut degré de parallélisation de CimLib.
Des applications à des problèmes physiques très différents ont été développées: interaction mécanique (fluide-structure), ou thermique (injection–moule / fluide) ou électrique (compaction–moule / poudre), ou encore lors des changements de phase.
Utilisation de l'approche monolithique pour la simulation du procédé de frittage flash: distribution de courant, température et pression dans l'ensemble poudre, poinçons et matrices; ainsi que géométrie de l'ensemble (P. Mondalek, L. Silva, M. Bellet, A numerical model for powder densification by SPS technique, soumis à Advanced Engineering Materials (2010)).
Pour les problèmes ayant un caractère multi-physique, une accélération des calculs intéressante (par facteur de plus de 10) peut être obtenue en utilisant plusieurs maillages de calcul, un pour chaque type de physique traité. Dans cette méthode multi-maillages, le transfert des champs entre les différents maillages est effectué avec une grande précision, grâce à la propriété d'emboîtement par éléments ou par nœuds, réalisé à partir du mailleur MTC. Développée au sein de CimLib, cette méthode conserve toute son efficacité dans le contexte parallèle.
Application de la méthode multi maillages parallèle au cas du martelage: représentation des partitions des deux maillages (une utilisée pour la résolution thermique, l'autre mécanique), (M. Ramadan, Une méthode multimaillages multiphysiques parallèle pour accélérer les calculs des procédés incrementaux, thèse de doctorat, MINES PARISTECH (2010).
Poursuite de l'adaptation de CimLib au calcul massivement parallèle. Expérimentation de ce type de calcul sur le calculateur massivement parallèle du CINES « Jade », utilisation de plusieurs milliers de cœurs de calculs. Finalisation de l'optimisation de la phase de remaillage par une procédure de permutation-couper-coller qui permet d'obtenir une efficacité parallèle proche de l'optimum. Adaptation
de CimLib au Cloud Computing SaaS (Software as a Service) : l'ensemble de la chaîne de calcul (de la génération du maillage à la visualisation des résultats) est exécutée sur un calculateur massivement parallèle distant (H. Digonnet, Making massively parallel computations available for end users, soumis à PARENG2011 (2010). Les seules données transmises via Internet sont :
Ces quelques dizaines de Mo téléchargés sont à comparer aux quelques To de données très vite générés sur des calculateurs massivement parallèles.
Visualisation du numéro local des éléments sur un maillage de 50 millions de nœuds et 250 millions d'éléments.
Rendu réaliste : génération de 600 images en parallèle pour un
temps de rendu par image de 2h.
Poursuite du travail sur les méthodes de stabilisation mixtes (par fonction bulle) ou par des formulations variationnelles multi-échelles (VMS). Développement d'un solveur avec calcul, stockage et visualisation de la fonction bulle, application sur des problèmes couplés fluide / solide élastique (de l'incompressible au compressible). Application à des milieux perméables (résolution des équations de Brinkman). Application à des problèmes de changement de phase: liquide-solide et liquide-vapeur.
Solidification d'une plaque en étain avec convection naturelle (Ste=10-2). Distribution des températures partout et des vitesses dans le liquide, ainsi que de l'interface liquide –solide (en vert, à gauche).
Mise en place des méthodes éléments finis stabilisées adaptées en CFD et interaction fluide-structure et résolution sur un même type de maillage aussi bien des problèmes de structures solides, déformables et des grandes déformations ainsi que des problèmes de mécanique des fluides à très grands Reynolds. Cette approche nécessite d'ajouter un tenseur des contraintes supplémentaire dans les équations de Navier-Stokes provenant de la présence de la structure dans le fluide.
Le système est résolu en utilisant une formulation variationnelle multi-échelle (VMS), qui consiste à décomposer la vitesse et les champs de pression en grandes échelles (résolues) et petites échelles (non résolues). La particularité de l'approche proposée réside dans la possibilité d'enrichir l'extra contrainte.
Tetris: chutes de plusieurs corps solides au sein d'un fluide très peu visqueux; visualisation du maillage adapté lors de la chute (S. Feghali, E. Hachem, T. Coupez, Monolithic stabilized finite element method for rigid body motions in the incompressible Navier-Stokes flow, accepté par European Journal of Computational Mechanics (2010).
Simulation des écoulements à très grands nombres de Reynolds avec la prise en compte de modles de turbulence (K-epsilon, LES). Les méthodes éléments finis sont aujourd'hui concurrentielles de ce point de vue par rapport aux volumes finis et la recherche actuelle porte sur le contrôle total de la turbulence dans les méthodes de stabilisation dites « multiscale » avec la possibilité de s'affranchir des modèles de turbulences. Une extension de ces méthodes est déjà implémentée avec une échelle de résolution qui dépend de celle atteinte par le maillage, ce qui permet un calcul d'écoulement 3D sans le recours à un modèle de turbulence fixé.
Écoulement turbulent de l'eau dans une cavité: étude expérimentale (réalisée au CEMEF), et simulation numérique avec calcul diphasique de la turbulence (G. François, E. Hachem, H. Digonnet, T. Coupez, Stabilized Finite Element Methods for High-Reynolds Free Surface Flows, soumis à Computers and Fluids (2010)), (E. Hachem, B. Rivaux, T. Kloczko, H. Digonnet, T. Coupez, Stabilized finite element method for incompressible flows with high Reynolds number, Journal of Computational Physics, v229, n23, pp8643-8665 (2010)).
Poursuite de l'utilisation de la méthode level set par réinitialisation convective hyperbolique de la fonction distance dans le transport des interfaces (L. Ville, L. Silva, T. Coupez, Convected level set method for the numerical simulation of fluid buckling, accepté par International Journal for Numerical Methods in Fluids (2010). Les applications concernées sont: les écoulements diphasiques de fluides à différents niveaux de viscosité; la croissance lors du changement de phase (liquide-solide ou liquide-vapeur); la déformation ou le mouvement de corps rigide au sein d'un fluide très ou peu visqueux; la recristallisation primaire et secondaire après déformation d'un grand nombre de grains; les interfaces dans les milieux poreux à toute échelle.
Extension de la modélisation de la recristallisation statique primaire à la recristallisation statique secondaire isotrope (M. Bernacki, R.E. Logé, T. Coupez, Level set framework for the finite element modelling of recrystallization and grain growth in polycrystalline materials, accepté par Scripta Materialia (2010)). Les développements courants se focalisent sur la prise en compte de l'hétérogénéité de la mobilité et des énergies d'interface des joints de grains ainsi que la prise en compte des phénomènes d'ancrage durant la recristallisation. De manière plus générale, les outils développés ont pour but à court terme de modéliser finement les phénomènes de croissance anormale.
Différentes étapes de la modélisation de la recristallisation primaire et de la croissance de grains dans un cas de germination précoce (partie recristallisée en bleu).
Utilisation de l'approche monolithique pour la détermination des tenseurs de perméabilité dans les composites à fibres discontinues sur deux échelles, avec des caractéristiques d'écoulement différentes: milieu fluide/rigide ou milieu perméable/imperméable (G. Puaux, L. Silva, P. Laure, M. Vincent, T. Coupez, An immersed finite element method for permeability determination of a porous media, soumis à International Journal for Numerical Methods in Fluids (2010)). Résolution d'un problème de Stokes avec pénalisation sur les mouvements des corps solides pour le calcul du tenseur de perméabilité d'un ensemble fibres/fluide; utilisation de ce tenseur pour des calculs à l'échelle supérieure (mèche/fluide) où, avec une résolution Brinkman/Stokes, nous calculons un nouveau tenseur de perméabilité.
Perméabilité transverse de l'architecture représentée en haut à gauche, fonction de la perméabilité de la mèche, calculée par résolution du problème couplé Stokes-Brinkman; représentation de la norme de la vitesse (en bas, à gauche).
Poursuite du développement des outils de traitement d'image pour génération de VER à partir d'imagerie 3D, ainsi que de techniques de construction de maillages adaptés pour la représentation de microstructures statistiques.
Algorithme de représentation d'un VER à partir d'une image: segmentation, distanciation, immersion et adaptation.
D'un autre côté, une procédure rapide de génération statistique de microstructures virtuelles dans un cadre éléments finis a été développée dans CimLib (K. Hitti, P. Laure, T. Coupez, L. Silva, M. Bernacki, Fast generation of complex statistical Representative Elementary Volumes (REVs) in a finite element context. en préparation). Cette technique repose sur des approches de type diagramme de Laguerre-Voronoi, méthode frontale, description level-set des interfaces, coloration de graphe et adaptation anisotrope de maillages.
Les développements réalisés permettent à ce jour une modélisation statistique précise de nombreux type de VER (polycristal, poudre, semi-solide (Z. Sun, R. Logé, M. Bernacki, 3D finite element model of semi-solid state permeability in an equiaxed granular structure. Comp. Mater. Sci., 49, 158-170, 2010), mousse...) tout en apportant le formalisme initial nécessaire à la réalisation de calculs éléments finis sur ces microstructures.
VER 2D représentatif d'une poudre définie par une loi gaussienne pour sa granulométrie: le VER est composé de 53805 particules avec une densité égale à 0.83 et une erreur L2 sur la distribution désirée inférieure à 3%.
Développement d'une méthode générale implicite avec lissage des outils pour le traitement de contact très faible. La méthode implicite revient à réactualiser la condition de contact à chaque itération de Newton Raphson de façon à tenir compte de l'évolution de la surface de contact au cours de l'incrément de temps. Le lissage de surface d'obstacles de formes quelconques repose sur une technique locale décrivant la surface par des éléments quadratiques à partir de normales nodales calculées sur la base de recouvrement de patch. Cette méthode permet d'améliorer significativement la gestion de contact ainsi que la précision des calculs pour des procédés comme le laminage produits plats, tréfilage, laminage produits longs... Pour des cas plus spécifiques, une méthode implicite avec outils analytiques a été implémentée pour permettre d'améliorer la simulation du laminage circulaire.
Les logiciels de simulation des procédés sont développés en collaboration avec les autres groupes et couvrent de nombreuses applications: Forge, Rem3D, Ximex, Thost, µCIM.
FORGE
Simulation des procédés de forgeage des métaux à chaud, mi-chaud et à froid de pièces 2D et 3D. Simulation et optimisation automatique de la gamme de forgeage complète : cisaillage, laminage (transverse, retour, circulaire, produit long), forgeage, matriçage, estompage, extrusion... Résolution de problèmes de plus en plus complexes avec un grand nombre de degré de liberté. Calculs extrêmement précis et rapides par développement de nouveaux modèles comme l'amélioration de contact pour des procédés à faible zone de contact, l'amélioration des méthodes de résolution par le développement des méthodes ALE parallèles ou des méthodes multigrilles.
Optimisation de forme.
REM3D
Simulation des procédés d'injection classiques, co-injection, injection assistée-eau, compression et injection-compression de composites, ainsi que leur moulage par voie liquide, prédiction des propriétés mécaniques des pièces injectées, moussage. Développements pour les composites fibres discontinues et continues, comme par exemple, l'amélioration de la prédiction de l'orientation induite par le procédé, par l'implémentation de nouveaux modèles.
Distribution de température en cours de refroidissement dans le moule.
XIMEX
Adaptation à la modélisation précise des phénomènes de dispersion de fibres de verre dans une matrice thermoplastique. Plusieurs axes de développement ont été explorés. Un premier axe concerne l'amélioration de la précision des calculs de champs de vitesse par adaptation de maillage a posteriori. Cet axe permet d'obtenir une grande précision dans les méthodes particulaires utilisées pour le calcul du mélange distributif.
En parallèle, un couplage des contraintes macroscopiques aux structures microscopiques que représentent les fibres de verre a été exploré, en utilisant les outils développés dans le cadre du projet µCIM. Le champ de contraintes le long d'une fibre dans un écoulement a pu être calculé et constitue le point de départ d'une théorie cinétique de la casse en écoulement.
Champ de contrainte sur une fibre dans une matrice thermoplastique en écoulement.
Taux de déformation calculé après adaptation de maillage a posteriori.
THOST
Transfert thermique (E. Hachem, H. Digonnet, E. Massoni and T. Coupez, Enriched finite element spaces for transient conduction heat transfer, Applied Mathematics and Computations, v217, n8, pp3929-3943 (2010)) et écoulement turbulent de l'air dans un four industriel, fonctionnement de bacs de trempe avec différents fluides et des changements de phase; simulation de l'ébullition nucléée et de l'ébullition en film, lors d'un bain calme ou d'un bain agité.
Ébullition en film: interface vapeur-liquide.
µCIM
Application de la CimLib aux écoulements dans les matériaux composites (fibres continues et discontinues), à la déformation d'autres milieux poreux (compaction de poudres), à la déformation de mousses, à la déformation des milieux granulaires à l'état solide et semi-solide, à la recristallisation primaire et secondaire; à la croissance des morphologies lors de la solidification. Deux exemples mettent en évidence les travaux du groupe: le mouvement de particules au sein d'un écoulement et la déformation d'un alliage à l'état semi-solide.
Échantillon de mousse (squelette en vert, air en rouge).
Une mise au point d'un outil numérique qui permet de calculer le mouvement d'une population de fibres ou de particules sphériques dans un écoulement, permet aussi de prendre en compte les interactions hydrodynamiques entre les particules grâce à une formulation éléments finis adaptée. Ce calcul éléments finis est couplé à un calcul particulaire qui permet de prendre en compte des distances interparticulaires très courtes. Le contact collant dû à la présence d'une fine couche de fluide est pris en compte. Cette gestion des contacts permet de faire de l'homogénéisation numérique sur une grande population de fibres à des concentrations relativement élevées (~30%) et montrer comment la viscosité apparente d'une suspension peut dépendre du rapport de forme, de la concentration et de l'orientation des fibres (N. Verdon, A. Lefebvre-Lepot, L. Lobry, P. Laure, Contact problems for particles in a shear flow, accepté par European Journal of Computational Mechanics (2010), (N. Verdon, G. Beaume, A. Lefebvre-Lepot, L. Lobry, P. Laure, Immersed finite element method for direct numerical simulation of particle suspension in a shear flow, soumis à Journal of Computational Physics (2010)).
Représentation du mouvement d'un agrégat de 13 particules, lorsqu'un contact inélastique ou collant est supposé.
Comparaison entre l'évolution expérimentale (à gauche) et numérique (à droite) pour un cas de traction d'un milieu semi-solide en utilisant une approche monolithique et une formulation eulérienne (le solide a un comportement viscoplastique, le liquide est newtonien et l'air qui entoure l'échantillon est un fluide encore moins visqueux). L'échantillon numérique de départ est construit à partir d'une tomographie.
François Bay , Pierre-Olivier Bouchard , Katia Mocellin , Yannick Tillier
L'objectif du groupe est l'étude et le développement de modèles physiques et numériques performants pour l'analyse par éléments finis et l'optimisation de problèmes en mécanique des solides et en couplages multi-physiques. Les principaux thèmes abordés sont:
Le CEMEF travaille depuis plusieurs années sur le chauffage par induction et sa modélisation numérique. L'outil numérique Matelec en est le fruit. Il est basé sur des approches éléments finis d'arête et des schémas d'intégration en temps spécifiques pour résoudre les équations de Maxwell, ainsi que sur des stratégies de couplages multiphysiques (électromagnétisme-thermique-mécanique-métallurgie) adaptées. Nous nous intéressons actuellement à réduire les temps de calcul grâce à des méthodologies de résolution efficaces pour des systèmes linéaires complexes, et mettre au point des méthodologies d'optimisation avancées...
La maîtrise plus fine de la conception des procédés de chauffage par induction qu'offre MATELEC aux industriels apporte un accroissement de la qualité et la réduction de la consommation énergétique. Dans les phases de conception, l'outil permettra – en liaison avec le département éco-efficacité des procédés industriels d' EDF – d'organiser une implantation industrielle de procédé de chauffage plus compatible avec l'environnement.
La conclusion d'un projet ANR , le démarrage d'un nouveau projet ANR et l'industrialisation par Transvalor du modèle permettent d'inscrire cette action dans la durée.
Exemple de modélisation d'un procédé de traitement thermique par induction.
P.O. BOUCHARD, L. BOURGEON, S. FAYOLLE and K. MOCELLIN, An enhanced Lemaitre model formulation for materials processing damage computation , /Int. J. Mater. Form/., accepted, DOI 10.1007/s12289-010-0996-5.
D. CARDINAUX, F. BAY, Y. CHASTEL, A coupled multi-physics model for induction heat treatment processes , Computer Methods in Material Sciences, accepté pour publication, 2010
E. LEFORESTIER, E. DARQUE-CERETTI, Ch. PEITI, P.O. BOUCHARD and M. BOLLA, Determining the initial viscosity of 4 dentinal adhesives. Relationship with their penetration into tubuli , /Int. J. Adhes. Adhesives/, 30: 393-402, 2010.
M. MILESI, Y. CHASTEL, E. HACHEM, M. BERNACKI, R.E. LOGE and P.O. BOUCHARD, Digital microstructures matching statistical distributions of features in real materials – Example of forgings , /Steel Research International/, 81(9): 1442-1445, 2010.
M. MILESI, Y. CHASTEL, E. HACHEM, M. BERNACKI, R.E. LOGE, and P.O. BOUCHARD, A multiscale approach for high cycle anisotropic fatigue resistance: application to forged components , /Mater. Sci. Engng. A,/ 527(18-19): 4654-4663, 2010.
G. ODIN, C. SAVOLDELLI, P.O. BOUCHARD and Y. TILLIER, Identification of the Young's modulus of mandible bone using inverse analysis, /Med. Engng. & Phys. /, 32: 630-637, 2010.
L. Arbaoui, J.-E. Masse, L. Barrallier, K. Mocellin, Numerical modelling of laser rapid prototyping by fusion wire deposit , /Int. J. Mater. Form /, Volume 3, Supplement 1, Pages 1095-1098
Jean-Loup Chenot , D éveloppement du logiciel Forge3 en collaboration avec l'Industrie, la forge n° 42, octobre 2010, p. 5-12.
J-L Chenot, L. Fourment, R. Ducloux and E. Wey, Finite element modelling of forging and other metal forming processes , International Journal of Material Forming, Volume 3, Supplement 1 / April 2010, p. 359-362.
Nanjiang Chen, Richard Ducloux , Christel Pecquet, Julien Malrieux, Maxime Thonnerieux, Min Wan & Jean-Loup Chenot , Numerical and experimental studies of the riveting process, International Journal of Material Forming , Springer-Verlag France 2010 (online publication first).
J.-L. Chenot, L. Fourment, R. Ducloux & E. Wey, Finite Element Modelling of Forging and other Metal Forming Processes , 13th ESAFORM Conference on Material Forming, Brescia, Italy, April 7-9, 2010.
Jean-Loup Chenot , Marc Bernacki , Lionel Fourment & Richard Ducloux , Advanced Numerical methods for F. E. Simulation of Metal Forming Processes , Numiform Conference, Pohang, Korea, June 2010.
Jean-Loup Chenot , Finite Element Modeling of Metal Forming Processes - Basic Formulation and Recent Developments , Conference Metal Forming 2010, Pre-Conference Seminar Joined with Processing Computational Mechanics Committee in Japan Society for Technology of Plasticity, «Advances in Finite Element Simulation and Material Modeling in Metal Forming Processes», Toyohashi, September 19, 2010.
Jean-Loup Chenot , Pierre-Olivier Bouchard , Elisabeth Massoni & Katia Mocellin , Finite Element Modeling of Mechanical Joining Technology , AMPT Conference, Paris, October 2010.
Jean-Loup Chenot , Elisabeth Massoni & Patrice Lasne , Finite Element Simulation and Optimization of the Hydroforming Process , Conference Metal Forming 2010, Toyohashi, September, 2010.
Jean-Loup Chenot et Patrice Lasne , Simulation numérique des procédés par déformation plastique , Industrie 2020, Paris, mars 2010.
J-L Chenot, L. Fourment, R. Ducloux and E. Wey, Finite Element Modelling of Forging and other Metal Forming Processes , 13th ESAFORM Conference on Material Forming, Brescia, Italy, April 7-9, 2010.
J.-L. Chenot, Nanjiang Chen, Min Wan, Julien Malrieu, Maxime Thonnerieux & R. Ducloux, Numerical and experimental studies of the riveting process and the strength of the riveted joints , Conference Metal Forming 2010, Toyohashi, September, 2010.
Jean-Loup Chenot , 3-Dimensional simulation of the forging process , Postech, Pohang, Korea, September 24, 2010.
Deux équipes fonctionnelles assistent les équipes de recherche dans leurs activités.
Mesures, Études, Atelier (MEA)
Alain Le Floc'h,
Christelle Combeaud
,
Simon Becker
,
Marc Bouyssou
,
Erick Brotons
,
Francis Fournier
,
Lionel Freire
Le groupe Mesures, Études, Atelier assure l'appui logistique aux essais expérimentaux du centre ou à la demande d'entreprises:
Le groupe constitue également une mémoire «technico-scientifique» du laboratoire, par l'accumulation d'expériences dans le domaine de la mesure, par la pratique de mesures «délicates» (Thermographie, vélocimétrie), et d'essais complexes (SOFT, tribologie...).
Cette année a vu la réalisation de différents montages expérimentaux portant sur les études suivantes:
Ainsi que sur l'amélioration de l'instrumentation de nombreux essais.
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Équipements et Ingénierie Informatique (EII)
Serge Algarotti
,
Valéry Lang
, Ann-Mari Mulé,
Jean-Marc Tanzi
,
Carole Torrin
Dans le cadre de la gestion du parc informatique du laboratoire, nos actions au niveau des systèmes, logiciels et matériels ont pour objectif d'assurer et d'optimiser le fonctionnement, la disponibilité et les performances des différents moyens informatiques mis à la disposition de l'ensemble du personnel.
Principales actions
Chaque personne est dotée d'un poste de travail basé sur une architecture PC Windows XP muni des applications de communication, bureautique, traitement de graphiques, développement de logiciels et connexion aux différents serveurs de calcul. Ces postes sont administrés au sein d'un domaine Windows géré par un serveur Windows 2003.
La disponibilité, la sécurité et les performances des services réseau sont assurées par l'installation et la configuration de plusieurs serveurs Dell et Sun sous Linux dédiés à chacun d'eux (firewall, dns, mail, webmail, news, ftp, web, ntp, licences, mysql, ldap, sauvegarde, centralisation des logs, connexions externes, développement, secours...). La partie active du réseau Ethernet local est basée sur des commutateurs 100 Mb/s pour les postes de travail et 1 Gb/s pour les serveurs. Ce réseau est protégé en frontal par un pare-feu au niveau du laboratoire et par un routeur au niveau du site.
Les chercheurs ont à leur disposition pour les calculs séquentiels ou parallèles des moyens performants, actualisés et accrus régulièrement tels que d'une part le réseau de calcul à hautes performances (cluster) à base de processeurs multi-cœurs Amd et de réseau rapide dédié et d'autre part plusieurs stations de travail à base de processeurs Intel bi ou quadri cœurs.
Nous portons un effort particulier sur la diffusion d'informations auprès de l'ensemble des utilisateurs via le courrier électronique, des articles et alertes sur l'intranet ainsi que les documentations en ligne. Nous assurons, en début d'année universitaire, une formation théorique et pratique portant sur les outils informatiques disponibles au laboratoire auprès des doctorants ainsi que des étudiants des deux mastères spécialisés.
La capacité de calcul parallèle a été multipliée par 3 avec l'acquisition et mise en service de l'extension «992 cœurs Opteron et 960 unités de calcul GPU» au réseau de calcul à hautes performances de 512 cœurs.
Afin d'homogénéiser les identifiants de connexion (ldap local, windows, ldap Paris), nous avons effectué la migration des identifiants de tous les utilisateurs en suivant la syntaxe «prenom.nom».
En parallèle nous avons migré les boîtes aux lettres des utilisateurs sur un nouveau serveur configuré avec Dovecot pour la gestion de la messagerie électronique.
Moyens informatiques (Décembre 2010)
Informatique«utilisateurs» |
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| 300 PC | postes de travail fixe, portable et instrumentation Windows XP |
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300 comptes utilisateurs |
LDAP et serveur Windows 2003 |
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1504 processeurs/cœurs : 10 T Flops + 960 unités de calcul |
3 To de mémoire, 50 To de disque sécurisé réseaux calcul Infiniband |
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Cluster Linux 512:
Sun X4100 bi-dual core Sun X2200 bi-dual core Sun X2200 bi-dual core HP SL165 et DL385 bi octo cœurs Nvidia Tesla S1070 |
96 cœurs, 24 Amd Opteron 280 2,4 GHz 96 cœurs, 24 Amd Opteron 2220 2,8 GHz 320 cœurs, 40 Amd Opteron 2356 2,3 GHz 992 cœurs, 62 Amd Opteron 6134 2,3 Ghz 960 unités de calcul (GPU) 3 To de mémoire, 46 To de disque réseau Infiniband DDR 20 Gb/s CentOS 64 bits - Sun Grid Engine |
| PC calcul quad-coeur |
10 Dell Precision T3500 Windows XP |
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46 serveurs avec redondance :
Dell PowerEdge ou Sun |
Mail, Webs, News, DNS Sauvegardes, Licences, Base de données Fichiers, Sécurité, Log, LDAP, FTP, Développement, ... Debian ou RedHat |
| 10 commutateurs réseaux | 10 imprimantes laser sur réseau Ethernet |
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Développement
C/C++, Fortran, CUDA, CVS, Cimlib, SciLab, Matlab, Maple... Bureautique et communication Office, FireFox, Thunderbird, Acrobat, Photoshop |
Calcul scientifique et numérique Forge 2009, Rem3D, Ludovic, Abaqus, Thermocalc... Mesure physique, Conception Labview, I-Deas, Solidworks |
