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structures par la méthode des éléments finisChristian Rey
christian.rey@safran.fr 1Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS2Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS2
2Plan du cours
1- Rappel sur l"élasticité linéaire - Méthode de Galerkin
2- Le concept d"éléments finis isoparamétrique
3- La méthode des éléments finis4- Introduction aux calculs de structures non-linéaires5- Calcul de solides élastoplastique - aspects locaux6- Calcul de solides élastoplastique - aspects globaux
Utilisation et développement au sein d'un code simple sous Matlab (2D) Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS3Analyse du comportement non linéaire des
structures par la méthode des éléments finis1. Introduction
1. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires
2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
3. Comportement élastoplastique (rappels)
2. Calcul de solides élastoplastiques
1. Aspects locaux (algorithme de retour radial)
2. Aspects globaux (Opérateur tangent cohérent)
3. Elasticité en transformations finies : exemple du flambage
1. Equations de l'élasticité en transformation finies
2. Déformations infinitésimales - grands déplacementsPlan du cours
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS41. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
3. Comportement élastoplastique (rappels)
Modèles de comportement non-linéaires de matériaux : • Endommagement ;• Plasticité...Susceptibles d'apparaître en association avec solides élastiques linéaires HPP :
• Contact unilatéral (avec ou sans frottement) • Propagation de fissures • Usure... Comportements géométriquement non-linéaires de structures : • Transformations finies, flambage ... Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS51. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
3. Comportement élastoplastique (rappels)
Modèles de comportement non-linéaires de matériaux : • Endommagement ;• Plasticité...Susceptibles d'apparaître en association avec solides élastiques linéaires HPP :
• Contact unilatéral (avec ou sans frottement) • Propagation de fissures • Usure...Comportements géométriquement non-linéaires de structures : • Transformations finies, flambage ... Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS6 La réponse d'un système de solides (l'un au moins étant déformable) en contact unilatéral est une fonction non linéaire de la sollicitation, même si chaque solide est élastique linéaire Exemple : système masse-ressort suspendu au-dessus d'un support planContact unilatéral Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS7Exemple de solution analytique :
poinçonnement d"un massif infini plan (solution de Hertz, 1882)Exemple: Contact de Hertz La réponse d'un système de deux solides déformable en contact unilatéral est une fonction non linéaire de la sollicitation, même si chaque solide est élastique linéaireRayon de zone de contact
a et profondeur d'indentationδfonctions
non linéaires de la force de poinçonnement P :Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS8Contact unilateral (transformations infinitesimales )
Contact unilatéral
sans frottement master surfaceslave surfaceSelect a master surface and a slave surface.The nodes of the slave surface cannot
penetrate the master surface g: gap along normal direction Pas d"effort tangentielcompression!pas d"interpénétrationcomplémentarité S carea of potential contactMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS9La réponse d'un système de solides (l'un au moins étant déformable) en contact
unilatéral est une fonction non linéaire de la sollicitation, même si chaque solide est élastique linéaire Frottement : exemple de la loi de coulombContact unilatéral Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS101. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
3. Comportement élastoplastique (rappels)
Modèles de comportement non-linéaires de matériaux : • Endommagement ;• Plasticité...Susceptibles d'apparaître en association avec solides élastiques linéaires HPP :
• Contact unilatéral (avec ou sans frottement) • Propagation de fissures • Usure...Comportements géométriquement non-linéaires de structures : • Transformations finies, flambage ...Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS11Exemple : propagation de fissures
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS12Finite-element simulation of firearm injury
to the human craniumExemple : propagation de fissure
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS131. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires
Susceptibles d'apparaître en association avec solides élastiques linéaires HPP : • Contact unilatéral (avec ou sans frottement) • Propagation de fissures • Usure...Modèles de comportement non-linéaires de matériaux : • Endommagement ; • Plasticité...Comportements géométriquement non-linéaires de structures : • Transformations finies, flambage ...1. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
2. Comportement élastoplastique (rappels)
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS14Exemple : caractérisation de matériaux par indentation
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS15Exemple : endommagement Représentation à l'échelle macroscopique de l'effet de la présence dans un matériau de microdéfauts (fissures...) évolutifsMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS16Comportement non linéaires de matériaux (non linéarités physique)
Comportement élastoplastique :
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS17Comportement non linéaires de matériaux (non linéarités physique)
Comportement viscoplastique :
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS18Exemple (elastoplasticité) : fouille circulaire (Nantes)
Maillage excavation + paroi + sol extérieur à paroi, avec déplacement vertical (couleurs)Sol : comportement élastoplastique
Paroi cylindrique : comportement élastique
Excavation réalisée en plusieurs phases
Laboratoire central des ponts et chaussées, 2003)Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS19Exemple : modélisation d'un essai de compactage de coques
(Transformations finies + contact)Juxtaposition de plusieurs non linéaritésMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS20Exemple : mise en forme(Plasticité, transformations finies + contact)
Juxtaposition de plusieurs non linéarités
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS211. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
Cas d'une équation scalaire nonlinéaire
Cas d'un système d'équations non linéaires (exemple en élasticité non linéaire)3. Comportement élastoplastique (rappels)
u(1) u(2) u(0) u r(u) Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS221. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
Cas d'une équation scalaire nonlinéaire
Cas d'un système d'équations non linéaires (exemple en élasticité non linéaire)3. Comportement élastoplastique (rappels)
u(1) u(2) u(0) u r(u)Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS23Cas équation scalaire non linéaire
Trouver
utel que r(u)=0Procédure itérative : construction d"une séquence u(k)→ utel que r(u)=0Méthode de Newton-Raphson
Développement limité au premier ordre de r(u(k+1)) autour de u(k) u (1)u(2) u(0) u r(u) Puis résolution du problème linéaire associéMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS24L"algorithme de Newton-Raphson
Initialisation : u(0)(par exemple u(0)=0)Calcul du Résidu : r(u(0))
Itération : k --- > k+1
Résoudre :
du(k)= - [r"(u(k))] -1 r(u(k))Actualisation :
u(k+1)= u(k)+ du(k)Calcul résidu :
r(u(k+1))Test de convergence :
Si | r(u(k+1))| < er(u(0)) === > fin
Typiquement : e= 10-6
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS25Convergence quadratique de l"algo. Newton-Raphson
Algorithme de Newton-Raphson : Convergence quadratique (au voisinage de la solution) Soit e(k)= u(k) -u (erreur / solution) pour tout k, on a: Développement limité de r(u(k)) et r'(u(k)) autour de la solution exate uMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS26Convergence de l"algorithme de Newton-Raphson
u (0)=0 u r(u) u2(0) u2(1) u2(3) r(u) = 0Séquence de sous problèmes
La solution du i-ème sous-
problème est utilisé comme initialisation du (i+1)ème sous- probleme r(u) = ar(u(0))Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS27Newton-Raphson Modifié - 1
u u (0)u(1)u(2) r(u) r'(u) est remplacé par une constante K, ce qui donne u(3) La convergence est seulement linéaire (proche de la solution)K peut être la tangente à la
courbe au point d"initialisationMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS28Newton-Raphson Modifié - 2
Opérateur sécant (Employ line segment passing through the two previous estimates) u u(0)u(1)u(2) r(u)Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS29Cas de divergence de Newton-Raphson
u r(u) u(k) u(k+1) u(k) u(k) (a)(b) (c) u(k+1) Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS301. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires
Cas d'une équation scalaire nonlinéaire
Cas d'un système d'équations non linéaires (exemple en élasticité non linéaire)3. Comportement élastoplastique (rappels)
u(1) u(2) u(0) u r(u)Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS31Elasticité non linéaire - HPP
Forme faible des équations (PPV)
)0(v 0dΓv:TdΩv:f]dΩv[ε:])u[ε(σTΓd
CÎ"=--
)0C(v 0)v ;u( que )telUC(uTrouver D TΓ d dΓv:Td Ωv:f]d v[ε:])u([ )v ;u( f R Compatibilité géométrique + loi de comportement == > equations non linéaires avec le résidu défini par :Comportement élastique non linéaire : )(ef (densité d"énergie libre, convexe) ef sForme générique;
Non linéaire en
généralObjectif de la résolution itérative :
construire une séquence u (k)qui converge vers la solution u de R(u;.) = 0Interpolation EF de
== > système d"équations non linéaires )0(vet )(u CUC DMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS32Elasticité non linéaire - Méthode de Newton-Raphson
)0C(v 0)v ;u( que )telUC(uTrouver DÎ"=ÎR
)(z),w ;v()w ; v(-)w ; zv(zoRRR+¢=+Application linéaire tangente
RdeRMéthode de Newton (pb continu)
Partant de l"estimation
)0( avec trouver )()()()1()(Cuuuuu
kkkkkÎ+= ddLinéarisation autour de u(k)
0u),w ;u()w ; u()w ;u(
)()()()1(=¢+» +kkkk RRR d L"estimation u(k+1)= u(k)+ du(k)est alors solution du problème linéaire ))0C(w )w ; u(u),w ;u( que tel)0C(uTrouver kkkk RR ddMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS33Elasticité non linéaire - Application linéaire tangente
Linéarisation des contraintes w.r.t.
du(k) Pour un u(k)donnéLes composantes dutenseur découle de la La loi de comportement Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS34 Elasticité non linéaire - Application linéaire tangenteRésidu à l"itération : k+1 Développement limité de autour de : ][)1(+k us )(k u Développement limité de autour de : )(k u )1(wuR k+0)w,u(]dΩw[ε:A:]u[ε)0(v que, tel)0( u trouver donné, )(uun Pour
(k) Ω(k) (k)(k)(k) RCCUC D ddMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS35Elasticité non linéaire - Approximation Elément Finis
Approximation EF
Résidu discret défini par
Matrice de rigidité tangente définie par
La correction est solution du problème linéaire tangentMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS36Quelques remarques sur le calcul des intégrales
La loi de comportement est imposée seulement auxPoints de Gauss !
Matrice de rigidité tangente définie par
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS37Résolution d"un système d"équations non linéaire par
l"algorithme de Newton-Raphson Remarques :1- Bonnes propriétés de convergence (quadratique) ; peu d"itérations2- L"opérateurs tangent [K
(k)] doit être calculerà chaque itération
== > cout potentiellement important Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS38Convergence quadratique proche de la solution
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS39Elasticité non linéaire - opérateur tangent constant
où la matrice de rigidité (définie positive) est arbitraire, par exemple (Tenseur d"élasticité à l"état naturel)Algorithme de Newton modifié :
(i) Convergence plus lente (linéaire) ; plus grand nombre d"itérations (ii) Réduction du cout de calcul à chaque itération (la matrice tangente est calculée et factorisée LDLTune seule fois
Autre variantes :
(i) Variante " classique » : la matrice de rigidité mise à jour seulement toutes les m itérations (ii) Variante " sécante » Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS401. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires
2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires3. Comportement élastoplastique (rappels)
Cas 1D
Extension au cas général
Synthèse
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS411. Exemples de calcul de structures à comportement non linéaires
2. Algorithmes de type Newton pour la résolution de problèmes non linéaires3. Comportement élastoplastique (rappels)
Cas 1D
Extension au cas général
Synthèse
Mastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS42Comportemennt linéaire élastique
Chargement à partir de l"état naturel
es s 2 1 es 2 1 réversible es 2 1 3 symétrie traction-compressionMise en évidence expérimentale : cas 1D F=s A ∆L=eLMastère Spécialisé Design des Matériaux et des Structures - DMS43Mise en évidence expérimentale : cas 1D
(comportement idéalisé) es 1R0Comportement simplifié (idéalisé)
R0limite d"élasticité
es 2 1R 0 compression!s= E(e-eP) ePdéformation plastique
Déformation résiduelle eP
es 31R0 2 4 es R 0 e P -R0
5Comportement symétrique31
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