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Le 24 novembre 2020

Soutenance de thèse de Shitij ARORA

Formulation Stationnaire: Couplage de contact et traitement des matériaux dependent d'histoire avec maillages non structures

Résumé de la thèse en français

La formulation Forge stationnaire existante a été proposée pour la résolution des procédés de mise en forme à chaud en régime permanent avec des matériaux viscoplastiques. La formulation comprend un problème multi-champs fortement couplé et résolu avec une méthode itérative à point-fixé. L'algorithme itératif comporte deux étapes principales: (i) un solveur thermomécanique calcule d'abord les champs inconnus vitesse / pression / température sur un volume de contrôle (ii) un solveur à surface libre calcule ensuite l'inconnu forme stationnaire. La methode stationnaire de Forge, avec des maillages non structurés basés sur des éléments tétraédriques et une parallélisation avec partitionnement de domaine, s'avère au moins 50 fois plus rapide que l'approche incrémentale pour résoudre ces procédés. Cependant, la formulation n'est pas suffisamment robuste pour trouver une solution stable, en particulier avec des géométries complexes. Le travail présenté dans ce manuscrit est axé sur l'amélioration de la formulation en régime permanent avec deux objectifs principaux. Premièrement, un couplage de contact cohérent est prévu pour une solution stable, et est obtenu avec une approche condensation nodale. Les conditions de contact cohérentes Explicite et Implicite sont dérivées et le nouvel couplage de contact est testé avec des cas tests de laminage à chaud industriels complexes. Deuxièmement, la formulation originale Forge Stationnaire était principalement axée uniquement sur les problèmes de mise en forme à chaud avec des modèles de matériaux viscoplastiques qui ne prennent pas en compte les effets d'élasticité. Ces effets deviennent importants en froid et ne peuvent être ignorés. Une approche pseudo-time-step permet de modéliser le temps dans la formulation indépendante du temps et est facilement adaptable à l'algorithme itératif Forge Stationnaire existant. Bien qu'à l'origine, cette approche utilisait des maillages structurés pour suivre les lignes de courant, un nouveau cadre est développé pour tracer les lignes de courant dans les maillages non structurées et pour intégrer les variables d'état pour résoudre le problème dépendant de l'historique. À chaque itération, les variables d'état doivent être transportées des lignes de courant vers le maillage et vice-versa, qui est généralement diffusif. Pour limiter la diffusion, des outils comme la méthode Superconvergent Patch Recovery pour le lissage de champ et l'interpolation P1+ sont invoqués. L'algorithme fg3ss mis à jour est testé avec différents problèmes de laminage à froid. Les résultats des simulations de laminage à chaud et à froid avec l'algorithme proposé sont validés avec la solution incrémentale (dépendante du temps) du même problème dans Forge Incrementale.

Résumé de la thèse en anglais

The existing Steady-state Forge formulation was proposed for the resolution of the steady-state hot forming processes with viscoplastic materials. The formulation comprises of a strongly-coupled multi-field problem and solved with a fixed-point iterative method. There are two main steps in the iterative algorithm: (i) a thermo-mechanical solver firstly computes the unknown velocity/pressure/Temperature field on a control volume (ii) a free-surface solver then computes the unknown steady-state shape. The Steady-state method of Forge, with unstructured meshes based on tetrahedral elements and parallelization with domain partitioning, is found to be at least 50 times faster than the traditional incremental approach for solving these processes. However, the formulation is not robust enough to find a stable solution especially with complex geometries. The work presented in this manuscript is focused on the improvement of the steady-state formulation with two main objectives. Firstly, a consistent contact-coupling is anticipated for a stable solution, and is achieved with a nodal condensation approach. The Explicit and Implicit consistent contact conditions are derived and the updated contact-coupling is tested with complex industrial hot-rolling test cases. Secondly, the original Steady-state Forge formulation was mainly focused only on hot forming problems with viscoplastic material models which do not consider elasticity effects. These effects become prominent in cold conditions and cannot be ignored. A pseudo-time-step approach makes possible to model the time in the time-independent formulation and is easily adaptable to the existing Steady-state Forge iterative algorithm. Though originally this approach used structured meshes for tracking streamlines, a new framework is developed to trace the streamlines in the unstructured meshes and to integrate the state-variables for solving the history-dependent problem. In each iteration, the state-variables must be transported from the streamlines to the mesh and vice-versa, which is generally diffusive. To restrict the diffusion, tools like Superconvergent Patch Recovery method for field smoothening and P1+ interpolation are invoked. The updated Steady-state Forge algorithm is tested with different cold rolling problems. The results from the hot and cold rolling simulations with the proposed algorithm are validated with the incremental (time-dependent) solution of the same problem in Forge Incrementale.

Titre anglais : Steady-state formulation: Contact coupling and treatment of history-dependent material models with unstructured meshes
Date de soutenance : mardi 24 novembre 2020 à h00
Adresse de soutenance : 1 Rue Claude Daunesse, 06904 Sophia An

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