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Approches Multiéchelles

Animateur : Benoît Devincre

samedi 11 avril 2015, par Samuel Forest

Contact : Benoît Devincre

La maîtrise et, a fortiori, la prédiction et l’optimisation des processus de conception des matériaux et des structures passent par la prise en compte de phénomènes et mécanismes intervenant à différentes échelles, en espace comme en temps. Depuis l’échelle atomistique et parmi toute la gamme d’échelles possibles, il est essentiel, pour chaque cas et pour chaque objectif, de déterminer la (ou les) échelle(s) pertinente(s) ; c’est-à-dire celle(s) où agissent les mécanismes déterminants pour l’analyse et la compréhension des propriétés macroscopiques observées. COMPRENDRE, MODELISER et SIMULER chacune des échelles ainsi que leurs interactions constitue l’un des enjeux majeurs du thème « approches multi-échelles ».

La mise en œuvre de telles approches requiert des investigations couplées de nature expérimentale, théorique et numérique. Les différentes équipes fédératives disposent des compétences multiples et complémentaires et offrent une palette a même de couvrir depuis les aspects expérimentaux jusqu’au calcul aux différentes échelles. Ce thème est transversal aux autres thèmes scientifiques de la F2M ; il doit se nourrir des travaux développés au sein des autres thématiques de la fédération.

Sur les aspects expérimentaux, l’enjeu reste la détermination de l’échelle pertinente qui ouvre la voie à l’analyse des mécanismes réellement responsables des effets observés aux plus grandes échelles. Du point de vue de la modélisation, l’effort se décline essentiellement selon deux axes :

  • A l’échelle du matériau (depuis le nanomètre jusqu’au centimètre) : nous essayons de comprendre l’origine microscopique des phénomènes observés à l’échelle macroscopique. Pour cela il faut, selon les problèmes posés, combiner, de façon séquentielle ou couplée, différentes techniques de simulation : le calcul atomique ab-initio, la dynamique moléculaire, la dynamique des dislocations, la plasticité cristalline...Cette stratégie permettra, à la fois, de nourrir les modélisations du comportement multiphysique des matériaux et des structures aux échelles supérieures et d’autre part de mieux comprendre les mécanismes physiques élémentaires. Cette démarche a, par exemple, permis de nouvelles avancées sur la formulation des lois de plasticité cristalline et sur la connaissance du libre parcours moyens des dislocations. Citons en particulier, les collaborations existantes entre les équipes du LEM et du MSSMat [1, 2].
  • A l’échelle de la structure (du micromètre à plusieurs dizaines de mètres) : nous souhaitons rendre accessible la simulation numérique des grandes structures. Les approches standards développées jusqu’ici ne permettent de prendre en compte toute la complexité et la richesse des modèles aux différentes échelles. Il faut développer de nouvelles stratégies de calcul, robustes et efficaces, permettant de coupler différentes échelles de modélisation, en espace comme en temps, sans oublier les traitements stochastiques permettant d’intégrer les aspects non déterministes. La connaissance et le calcul explicite de la microstructure permettra ainsi la modélisation de grandes structures composites constitutives des structures aéronautiques et aérospatiales. A ce titre, citons les travaux développés en collaboration entre le CdM, le LMT –Cachan, le MSSMat et l’ONERA [3].

La combinaison calcul/expérience absolument nécessaire à la compréhension des phénomènes impliqués et à la production de connaissances proportionne également un axe à fort potentiel d’interaction entre les différentes équipes de la F2M. A ce titre nous pouvons citer, en particulier le théme Méthodes d’identification et de validation. Par son action, la F2M impulse ou soutient différentes journées d’études qui mobilisent la communauté scientifique et renforcent le dialogue avec l’industrie.

Pour en savoir plus…

1. R. Madec, B. Devincre, L. P. Kubin, T. Hoc, D. Rodney, The role of collinear interaction in dislocation-induced hardening, Science, 301, 1879-1882, 2003

2. B. Devincre, T. Hoc, L. Kubin, Dislocation mean free paths and strain hardening of crystals, Science, 2008, 320, 1745-1748

3. P. Gosselet, V. Chiaruttini, C. Rey, F. Feyel, A Monolithic strategy based on an hybrid domain decomposition method for multiphysic problems. Application to poroelasticity, European Journal of Computational Mechanics, 13, 2004, pp. 523-534.

Texte initial proposé par Christian Rey et Thierry Hoc.