Transition endommagement-rupture en 3D basé sur le champ de phase et l'adaptation du maillage : application aux procédés de mise en forme

3D ductile damage to fracture transition based on phase field and mesh adaptation : application to metal forming processes

• Auteur / Autrice : Hazem Eldahshan
• Direction : Pierre-Olivier Bouchard, Daniel Humberto Pino Munoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 11/01/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Monerie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Olivier Bouchard, Daniel Humberto Pino Munoz, Jacques Besson, José Alves
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laura De lorenzis, Carl Labergère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Rupture, Mécanique de la

Modèles mathématiques

Matériaux

Mots clés libres

Rupture ductile

Transition endommagement – rupture

Modèle de champ de phase

Remaillage adaptatif

Propagation de fissures discrètes

Application à la mise en forme

Ductile fracture

Damage to fracture transition

Phase field model

Adaptive remeshing

Discrete crack propagation

Metal forming applications

Résumé

Cette thèse contribue à la modélisation de la transition endommagement - rupture dans un cadre numérique parallèle 3D basé sur la méthode des éléments finis. Les nouvelles contributions comprennent: (i). une formulation champ de phase - endommagement couplée qui est adaptée pour les applications de mise en forme; (ii). un remaillage adaptatif suivi par l’identification de l'intersection de la surface de la fissure avec des topologies de maillage arbitraires basées sur l'évolution du champ de phase; (iii). l’insertion de la surface de la fissure dans le maillage à l'aide d'opérations locales de partitionnement du maillage; (iv). une stratégie de dédoublage nodale basée sur l'algorithme de coloration locale afin d'ouvrir les faces des fissures suivi par une étape de remaillage volumique. Toutes les étapes algorithmiques ont été mises en œuvre dans un cadre numérique parallèle afin de gérer les procédés industriels à grande échelle.Tout d’abord, différents cas test ont été testés où des comparaisons qualitatives et quantitatives avec la littérature ont été réalisées. Ensuite, la stratégie proposée a été utilisée pour la modélisation de la transition endommagement - rupture des procédés industriels complexes tels que: (i). la formation de fissures internes en chevrons lors du procédé d’extrusion ; (ii). des simulations de découpe telle que le procédé de cisaillement de barres, de découpage et de perçage; (iii). un procédé industriel à multi-étapes où la sortie de chaque étape est transférée à la seconde. Les comparaisons avec la méthode de suppression d'éléments (kill element) montrent une amélioration significative de la qualité des surfaces cisaillées prédites avec la capacité de détecter avec précision les caractéristiques de surfaces rompues telles que les bavures. De plus, le volume et l'énergie sont conservés pendant la simulation, ce qui résout l'un des principaux problèmes qui apparaît avec la méthode de suppression d'éléments.

This PhD contributes to the modeling of damage to fracture transition within a 3D parallel numerical framework based on the finite element method. The new contributions include: (i). a coupled phase field-damage formulation that is adapted to metal forming applications; (ii). adaptive remeshing strategy followed by the identification of the crack surface intersection with arbitrary mesh topologies based on the phase field evolution; (iii). fitting the crack surface within the mesh using local mesh partitioning operations; (iv). a nodal duplication strategy based on the local coloring algorithm in order to open the crack faces followed by a volume remeshing step. All algorithmic steps have been implemented within a parallel numerical framework in order to handle the large scale industrial processes.First, different benchmark cases have been tested where qualitative and quantitative comparisons with the literature have been carried out. Then, the proposed strategy has been used for the modeling of damage to fracture transition in complex industrial processes such as: (i). the formation of internal chevron cracks during bar extrusion process; (ii). metal cutting simulations including bar shearing, blanking and piercing processes; (iii). a multi-stages industrial process where the output of each stage is transferred to the second one. Comparisons with the element deletion method show significant improvement in the quality of predicted sheared surfaces with the ability to accurately detect the fracture surface features such as burrs. In addition, both volume and energy are conserved during the simulation which resolves one of the main issues that appears with the element deletion method.