Visco-plasticité des contraintes hybrides : formulation, approximation discrète et identification stochastique

Hybrid stress visco-plasticity : formulation, discrete approximation, and stochastic identification

• Auteur / Autrice : Cong Uy Nguyen
• Direction : Hermann G. Matthies, Adnan Ibrahimbegovic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 15/02/2022
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Technische Universität Braunschweig
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissipation d'énergie

Conservation de l'énergie

Éléments finis, Méthode des

Processus stochastiques

Espaces vectoriels

Calcul des variations

Flexion (mécanique)

Contraintes (mécanique)

Viscoplasticité

Mots clés libres

Formulation variationnelle hybride

Espace vectoriel de Raviart-Thomas

Schémas de conservation et de décroissance de l’énergie

Mise à l’échelle du matériau visco-plastique via la mise à jour bayésienne

Hybrid variational formulation

Viscoplasticity

Raviart-Thomas vector space

Energy conserving and decaying schemes

Upscaling of visco-plastic material via Bayesian update

Stress

Finite element method

Résumé

Dans cette thèse, une nouvelle approche est développée pour les problèmes de viscoplasticité et de dynamique non linéaire. En particulier, les équations variationnelles sont élaborées selon le principe de Helligner-Reissner, de sorte que les champs de contrainte et de déplacement apparaissent comme des champs inconnus sous la forme faible. Trois nouveaux éléments finis sont développés. Le premier élément fini est formulé pour le problème axisymétrique, dans lequel le champ de contraintes est approximé par des polynômes d’ordre inférieur tels que des fonctions linéaires. Cette approche donne des solutions précises spécifiquement dans les problèmes incompressibles et rigides. De plus, un élément fini de flexion de membrane et de plaque est nouvellement conçu en discrétisant le champ de contraintes en utilisant l’espace vectoriel de Raviart-Thomas d’ordre le plus bas RT0. Cette approche garantit la continuité du champ de contraintes sur tout un domaine discret, ce qui est un avantage significatif dans la méthode numérique, notamment pour les problèmes de propagation des ondes. Les développements sont effectués pour le comportement constitutif visco-plastique des matériaux, où les équations d’évolution correspondantes sont obtenues en faisant appel au principe de dissipation maximale. Pour résoudre les équations d’équilibre dynamique, des schémas de conservation et de décroissance de l’énergie sont formulés en conséquence. Le schéma de conservation de l’énergie est inconditionnellement stable, car il peut préserver l’énergie totale d’un système donné sous une vibration libre, tandis que le schéma décroissant peut dissiper des modes de vibration à plus haute fréquence. La dernière partie de cette thèse présente les procédures d’upscaling du comportement des matériaux visco-plastiques. Plus précisément, la mise à l’échelle est effectuée par une méthode d’identification stochastique via une mise à jour baysienne en utilisant le filtre de Gauss-Markov-Kalman pour l’assimilation des propriétés importantes des matériaux dans les régimes élastique et inélastique.

In this thesis, a novel approach is developed for visco-plasticity and nonlinear dynamics problems. In particular, variational equations are elaborated following the Helligner-Reissner principle, so that both stress and displacement fields appear as unknown fields in the weak form. Three novel finite elements are developed. The first finite element is formulated for the axisymmetric problem, in which the stress field is approximated by low-order polynomials such as linear functions. This approach yields accurate solutions specifically in incompressible and stiff problems. In addition, a membrane and plate bending finite element are newly designed by discretizing the stress field using the lowest order Raviart-Thomas vector space RT0. This approach guarantees the continuity of the stress field over an entire discrete domain, which is a significant advantage in the numerical method, especially for the wave propagation problems. The developments are carried out for the viscoplastic constitutive behavior of materials, where the corresponding evolution equations are obtained by appealing to the principle of maximum dissipation. To solve the dynamic equilibrium equations, energy conserving and decaying schemes are formulated correspondingly. The energy conserving scheme is unconditional stable, since it can preserve the total energy of a given system under a free vibration, while the decaying scheme can dissipate higher frequency vibration modes. The last part of this thesis presents procedures for upscaling of the visco-plastic material behavior. Specifically, the upscaling is performed by stochastic identification method via Baysian updating using the Gauss-Markov-Kalman filter for assimilation of important material properties in the elastic and inelastic regimes.