Développement d'un modèle level set performant pour la modélisation de la recristallisation en 3D

Development of an efficient level set framework for the full field modeling recrystallization in 3D

• Auteur / Autrice : Benjamin Scholtes
• Direction : Marc Bernacki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 05/12/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Ingo Steinbach
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bernacki, Anthony Rollett, Lukasz Madej, Carl E. Krill III, Amico Settefrati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Håkan Hallberg, Roland Logé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Traitement thermique

Calcul intensif (informatique)

Éléments finis, Méthode des

Ensembles de niveaux, Méthodes d'

Simulation par ordinateur

Recristallisation (métallurgie)

Mots clés libres

Métallurgie numérique

Méthode level set

Eléments finis

Calcul à haute performance

Numerical metallurgy

Level set method

Finite elements

High performance computing

Résumé

Les propriétés mécaniques et fonctionnelles des matériaux métalliques sont conditionnées par leurs microstructures, qui sont elles-mêmes héritées des traitements thermomécaniques subis. Etre capable de prévoir et simuler la microstructure et ses hétérogénéités lors des procédés de mise en forme complexes est récemment devenu crucial dans l'industrie métallurgique. C'est également un véritable challenge d'un point de vue numérique qui met en évidence l'importance des matériaux numériques dans les nouvelles méthodes de modélisation. Dans ce travail, nous nous intéressons à un modèle en champ complet récent basé sur la méthode level set (LS) dans un cadre éléments finis (EF) pour la modélisation des mécanismes de recristallisation.Les points forts de cette approche par rapport à l'état de l'art ont motivé le développement d'un logiciel appelé DIGIMU® par la société TRANSVALOR avec le soutien de grandes entreprises industrielles. Toutefois, le principal inconvénient de cette approche, commun aux autres méthodes en champ complet utilisant des maillages EF non structurés, reste son coût numérique important.Le principal objectif de ce travail a donc été d'améliorer considérablement le coût numérique de la formulation LS utilisée dans le contexte de maillages EF non structurés. De nouveaux développements génériques ont été réalisés pour améliorer l'efficacité globale du modèle. La formulation 2D LS existante, déjà utilisée pour modéliser la croissance de grains, la recristallisation statique et l'effet d'ancrage de Smith-Zener, a été étendue et améliorée afin de modéliser ces mécanismes en 3D pour des polycristaux à grand nombre de grains en des temps de calcul raisonnables.

Mechanical and functional properties of metallic materials are strongly related to their microstructures, which are themselves inherited from thermal and mechanical processing. Being able to accurately predict and simulate the microstructure and its heterogeneities after complex forming paths recently became crucial for the metallurgy industry. This is also a real challenge from a numerical point of view which highlights the importance of digital materials in new modeling techniques. In this work, we focus on a recent front-capturing full field model based on the level set (LS) method within a finite element (FE) framework to model recrystallization mechanisms.The strengths of this approach comparatively to the state of the art have motivated the development of a software package called DIGIMU® by the company TRANSVALOR with the support of major industrial companies. However, the main drawback of this approach, common with other front-capturing full field approaches working on unstructured FE meshes, is its important computational cost, especially in 3D.Main purpose of this work was finally to drastically improve the numerical cost of the considered LS-FE formulation in context of unstructured FE meshes. New generic numerical developments have been proposed to improve the global efficiency of the model. The existing 2D LS formulation, already used to model grain growth, static recrystallization and the Smith-Zener pinning effect, has been extended and improved in order to model these mechanisms in 3D for large-scale polycrystals with reasonable computational costs.