Pôle Simulation des Matériaux et des Structures
Le pôle SIMS du Centre des Matériaux se consacre au développement de modèles numériques avancés pour mieux comprendre le comportement et la rupture des matériaux. En intégrant des approches multi-échelles et des validations expérimentales, le pôle cherche à fournir des représentations précises du comportement des matériaux dans des codes de calcul industriels.
L’objectif du pôle SIMS est de développer des modèles numériques robustes permettant de simuler avec précision les comportements complexes des matériaux, incluant les phénomènes de rupture. Pour atteindre cet objectif, des études à forte composante numérique sont menées, incluant le développement de logiciels spécifiques et des recherches collaboratives avec diverses équipes extérieures, tant françaises qu’internationales.
Les travaux sont soutenus par le groupe fonctionnel du Centre des Matériaux, qui assure le développement et la maintenance des moyens informatiques du centre, notamment les calculateurs parallèles, indispensables pour traiter les simulations à grande échelle.
Les thématiques de recherche
Le pôle SIMS est organisé autour de plusieurs axes de recherche, qui permettent de traiter les matériaux à différentes échelles, tout en validant les modèles numériques avec des résultats expérimentaux.
Mécanique digitale
La mécanique digitale se concentre sur l’interaction entre plusieurs axes de recherche, tels que :
- L’acquisition d’images en 2D, 3D et 4D pour l’analyse des matériaux en temps réel.
- La mesure de champs thermomécaniques (température, déformation, contraintes) pendant les essais expérimentaux.
- L’analyse d’images et la génération de maillages à partir d’images expérimentales ou de modèles aléatoires.
- Le calcul intensif, permettant de traiter de grandes quantités de données générées par les simulations ou les expériences.
- La réduction des modèles pour simplifier les calculs tout en préservant la précision des résultats.
- Le traitement des données massives générées par les expériences et simulations.
Un exemple de recherche innovante dans ce domaine est l’application des méthodes de réduction des modèles non linéaires inspirées des techniques de traitement d’images. Ces méthodes permettent d’obtenir une estimation de champs de contrainte complets à partir de modèles mécaniques réduits.
La représentation tensorielle des données facilite la comparaison entre les différentes approches et permettra, à terme, d’optimiser les techniques de collaboration dans la mécanique digitale. De nouveaux protocoles de travail, incluant l’acquisition des données et la formation des techniciens, sont également envisagés.
Calcul des structures et des microstructures
Les lois de comportement élasto-visco-plastiques des matériaux sont fondamentales pour décrire leur comportement à différentes échelles. Ces lois sont appliquées à des composants industriels dans des secteurs comme les transports et l’énergie, où l’efficacité et la précision des simulations sont essentielles.
Les approches multi-échelles permettent de relier les modèles à l’échelle des matériaux (comme la plasticité cristalline pour les métaux) à des modèles à plus grande échelle, comme ceux utilisés pour la plasticité macroscopique. La validation de ces modèles passe par des comparaisons avec des mesures expérimentales, comme les champs cinématiques, les déformations élastiques, et la distribution cristalline observée en 2D, 3D et 4D.
L’intégration de la mécanique des milieux continus généralisés permet de modéliser les effets d’échelle, comme les effets de taille de grain, des précipités ou des pores, et leur influence sur la viscoplasticité des matériaux métalliques et polymères. La méthode des champs de phase, couplée à la mécanique, vise à simuler l’évolution des microstructures sous sollicitations mécaniques, comme les changements de phases, la migration des interfaces ou l’oxydation.
Instabilité, endommagement et rupture
L’un des grands défis du pôle SIMS est de comprendre comment les matériaux se déforment de manière excessive, que ce soit de manière monotone ou cyclique, et comment cela peut mener à des instabilités telles que la localisation des déformations, les bandes de cisaillement ou les phénomènes de Portevin-Le Chatelier.
Ces modes d’instabilité peuvent aboutir à la rupture des matériaux, et leur étude nécessite l’application de méthodes de régularisation spécifiques, basées sur la mécanique des milieux continus généralisés, notamment l’approche micromorphe de la plasticité et de l’endommagement. La simulation des états de post-bifurcation et de propagation de fissures est cruciale pour comprendre ces phénomènes.
Le passage de la localisation des déformations à l’amorçage des fissures et leur propagation reste un défi majeur. Cependant, des progrès récents dans la modélisation et la confrontation des résultats avec des mesures de champs cinématiques 2D et 3D ont permis de valider une partie des lois de comportement et d’endommagement développées.
Ces modes d’instabilité existent aussi à l’échelle microstructurale, et l’étude de la transmission des instabilités microscopiques à la localisation macroscopique reste un sujet ouvert et de recherche active au sein du pôle SIMS. Comprendre ces mécanismes permettra d’optimiser la conception et l’architecture des matériaux, en vue d’améliorer leur fiabilité et performance dans des conditions extrêmes.
