Simulation haute performance des suspensions de fibres courtes pour les procédés de fabrication de composites.

High performance simulation of fiber suspensions for manufacturing processes.

• Auteur / Autrice : Nesrine Aissa
• Direction : Luisa Alexandra Rocha da Silva, Hugues Digonnet, Emmanuelle Abisset-Chavanne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Milieux Fluides
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Calcul Intensif (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Binétruy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luisa Alexandra Rocha da Silva, Christophe Binétruy, Julien Bruchon, Gaetano D'avino, Amine Ammar, Hugues Digonnet, Patrice Laure, Emmanuelle Abisset-Chavanne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Bruchon, Gaetano D'avino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Algorithmes

Microstructure (physique)

Composites à fibres

Suspensions (chimie)

Mots clés libres

Calcul HPC

Génération de microstructures

Suspensions de fibres

Perméabilité

Immersion de domaines

Adaptation de maillage

HPC calculation

Microstructures generation

Fiber suspensions

Permeability

Domain immersion

Mesh adaptation

Résumé

L'écoulement des suspensions de fibres est un facteur important dans le processus de fabrication des composites à fibres discontinues et qui détermine les caractéristiques des pièces obtenues. Dans cette thèse, nous proposons d'exploiter les moyens de calcul haute performance pour mettre en place des protocoles de simulations numériques permettant de mieux comprendre certains aspects critiques relatifs à cette question. Nous présentons tout d'abord un algorithme optimisé de génération de microstructures isotropes ou orientées. L’algorithme adopté est un algorithme de type adsorption séquentielle aléatoire (ASA) permettant de placer des fibres cylindriques sans collisions. Cet algorithme a été implémenté en séquentiel dans un premier temps, un algorithme de type Octree lui a été associé dans un deuxième temps, et finalement, il a été parallélisé. Par conséquent, une accélération importante est obtenue et des microstructures contenant des millions de fibres sont générées. Par la suite, l'écoulement à travers ces structures est simulé en utilisant une méthode d'éléments finis stabilisés associée à une formulation multi-domaine. Le domaine de calcul est constitué d’un maillage unique adapté autour des différentes phases implicitement décrites par des fonctions caractéristiques. Deux études principales sont menées: en considérant d'abord une architecture fibreuse statique et ensuite, une évolution dynamique des fibres. Pour le cas statique, une méthode d’homogénéisation est appliquée et la perméabilité est déterminée par la loi de Darcy. Pour le cas dynamique, nous présentons l'évolution d'un ensemble de fibres au sein d'un écoulement Newtonien de couette. Deux approches sont testées et comparées, une première avec couplage faible et une deuxième avec couplage fort.

Flow of fiber suspensions is a major factor in the manufacturing process of discontinuous fiber composites, and which determines the characteristics of the resulting parts. To the present date, studying such problematic presents a challenge. In this thesis, we propose to use high performance computing tools in order to establish numerical simulation protocols allowing a better understanding of some critical aspects related to the issue. First, we present an Octree optimized numerical method to generate virtual isotropic and oriented discontinuous fibers microstructure. This has been achieved by developing a modified RSA algorithm based on no collisions and using particles of cylindrical shape. As a result, samples containing millions of fibers are quickly generated. Once this is done, flow through those microstructures is simulated using a stabilized finite element method associated with a multi-domain formulation. The computational domain is constituted of a unique anisotropic adapted mesh that encloses the different phases implicitly described by level-set functions. Two mains studies are carried: considering firstly a static fibrous architecture and secondly a dynamic fibers evolution. For the static case, an averaging method is applied, and permeability is determined by Darcy’s law. For the dynamic case, we present the evolution of a set of fibers within a Newtonian shear flow. Two approaches are tested and compared, a first one with weak coupling and a second one with strong coupling.