Evaluation de la méthode Phase Field pour la prédiction de la rupture de matériaux quasi-fragile

IFP Energies nouvelles - Direction Physico-chimie et Mécanique appliquées

Stage Sciences des Matériaux Hauts-de-Seine entre février et mars 2022 5 mois


IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : Mobilité Durable, Energies Nouvelles, Climat / Environnement / Economie circulaire et Hydrocarbures Responsables.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

  • l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
  • la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Partie intégrante d’IFPEN, l’école d’ingénieurs IFP School prépare les générations futures à relever ces défis.

Evaluation de la méthode Phase Field pour la prédiction de la rupture de matériaux quasi-fragiles

Le stage se déroulera au sein de la Direction Physico-Chimie et Mécanique appliquées, plus précisément dans le département mécanique des solides.

Le stage proposé s’inscrit dans un projet IFPEN qui vise à mieux appréhender la modélisation de l’endommagement et la rupture en mécanique des matériaux dans un contexte multiphysique.

En effet, dans le domaine de l’énergie, de nombreuses applications notamment liées aux Nouvelles Technologies de l’Energie telles que le stockage d’énergie dans des batteries lithium-ion ou la production d’énergie par des éoliennes offshore sont susceptibles de nécessiter la modélisation d’un endommagement des matériaux provoqué par des phénomènes non-strictement mécaniques, du fait de couplages thermo-mécaniques, chemo-mécaniques ou encore electro-mécaniques.

La prédiction de la résistance à la rupture des matériaux dans ces contextes complexes est un enjeu majeur en ingénierie, et l’utilisation d’outils de simulations pour y parvenir présente des nombreux défis. Il existe actuellement des nombreuses méthodes pour la modélisation de l’endommagement jusqu’à la propagation de fissures dans les matériaux solides : modèles d’endommagement locaux, dédoublements de noeuds, zones cohésives, XFEM…

Ces approches engendrent certaines difficultés numériques telles que, selon les méthodes considérées, la dépendance des résultats au maillage, la difficulté de convergence, le temps de calcul important ou l’ajout d’une discrétisation spécifique compliquant la mise en place de couplages multiphysiques.

La méthode de modélisation de l’endommagement par champs de phase (phase-field) est une approche continue et sans dépendance des résultats au maillage qui a permis de s’affranchir de plusieurs de ces difficultés et qui est aujourd’hui de plus en plus utilisée dans des applications variées. Dans cette approche, la fissure est décrite par un champ scalaire prenant une valeur entre 0 et 1. Lorsque ce champ vaut 1, la raideur du matériau est réduite à zéro (le matériau est complétement fissuré).

Le champ de phase intervient dans la définition de l'énergie libre du système, contenant des termes de régularisation pour contrôler le profil de la zone endommagée et l'énergie de rupture. L'approche par champ de phase offre de nombreux avantages tels que la possibilité de traiter l’initiation et la propagation de fissures et facilite le couplage la propagation d'une fissure à d'autres phénomènes tels que la diffusion d’ions ou d'espèces.

Plusieurs auteurs ont implémenté la, ou plutôt des (car de nombreuses variantes ont déjà été proposées) méthodes de résolution par champs de phase [1,2] dans le code de calculs par éléments finis ABAQUSTM qui est amplement utilisé au sein de différents projets IFPEN.

L’objet de ce stage consiste à trouver la meilleure combinaison possible pour avoir une méthode robuste de modélisation de rupture permettant d’obtenir des résultats pertinents dans des contextes variés.

Le stage sera donc porté sur la modélisation numérique du comportement des matériaux et structures et il sera attendu de l’étudiant qu’il soit capable de comprendre des outils de modélisation avancée, de faire une analyse critique de ces outils et de leur comportement ainsi que de proposer, voir porter selon l’avancement, des évolutions de ces méthodes de modélisation.

Profil requis et compétences recherchées :

BAC+5 (stage de 5.3 mois avec un démarrage en février ou mars 2022), École d'ingénieurs ou Master de recherche, (spécialisation en Mécanique des solides) – Discipline : Mécanique des matériaux et des structures

Compétences :

  • Modélisation en mécanique par Eléments Finis
  • Connaissances en lois de comportement des matériaux
  • Calcul scientifique et résolution numérique
  • Aptitude à analyser des résultats
  • Autonomie

Contacts : Nicolas GUY, Camilo CASTRO LOPEZ
Le stage se déroulera à IFP Energies nouvelles, Etablissement de Rueil-Malmaison, 1-4 Avenue du Bois Préau, 92852 Rueil-Malmaison.

Bibliographie :
[1] G. Molnár, A. Gravouil, 2D and 3D Abaqus implementation of a robust staggered phase-field solution for modeling brittle fracture, Finite Elements in Analysis and Design, 130 pp. 27-38, 2017
[2] Y. Navidtehrani, C. Betegón, E. Martínez-Pañeda, A simple and robust Abaqus implementation of the phasefield fracture method, APPLICATIONS IN ENGINEERING SCIENCE 6, 100050 (2021)


(PDF - Max : 5 Mo)
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Camilo CASTRO LOPEZ et Nicolas GUY

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