Constitutive modelling is a core subject in the field of computational geotechnics, as the quality of predictions made by finite element simulations depends on the quality of the constitutive model used. For many students, constitutive modelling is perceived as an abstract and 'hard to grasp' topic in engineering education. The aim of the project ’Animating Soil Models’ is to improve the understanding of constitutive modelling through animations and interactive figures. Topics visualised include yield surfaces, stress invariants, critical state soil mechanics and some related models such as the Modified Cam Clay model and hypoplasticity. The visualisations are available on the SoilModels.com platform under the open CC BY license, making them freely available as educational resources. The animations certainly do not replace the study of equations, calculations or reading books. However, they can facilitate the teaching and understanding of concepts related to constitutive modelling.
The energy industry is transitioning towards a future with lower carbon footprint. Many countries and companies have pledged to achieve zero-greenhouse gas emissions by 2050. Three major areas that can contribute to these objectives while providing energy security are (1) natural gas from unconventional formations, (2) carbon capture utilization and storage, and (2) deep geothermal energy. This talk will present recent advances in these three areas focused on studies done by the presenter. The contents help understand how to to securely develop unconventional formations, reduce risks in carbon dioxide geological utilization and storage, and deploy safely and effectively geothermal energy. Examples include (1) optimizing fracture geometry, reducing sharp decline rates and enabling enhanced recovery for unconventionals, (2) maintaining high injection rates, optimizing pore space use, and averting fault reactivation or losing seal integrity for carbon geological storage, and last, lowering uncertainties and improving design of multistage hydraulic fracture and closed loop wells, maximizing power output, and limiting potential induced seismicity for geothermal energy. Last the presentation will include the presenter’s experience on sharing freely geomechanics concepts and courses through github and youtube for the worldwide geomechanics community.
Seismic fault dynamics: insights from lab experiments
Predicting the maximum load that a (quasi-)brittle specimen can sustain, along with determining the correct crack path, is a crucial scientific and practical challenge. A natural approach to address this problem is to identify appropriate criteria. Strength and toughness criteria are well-suited for simple specimens with either no defects or an existing crack. However, when defects are present, the criteria become more complex and require more sophisticated approaches. Over the last few decades, numerous models have demonstrated their ability to predict both critical loads and crack paths effectively. Some of these models include the Thick Level Set (TLS) models (Moës et al., 2011; Zghal et al., 2018), Phase Field damage models (Miehe et al., 2010; Wu, 2017), Peridynamics (Diehl et al., 2022; Jafarzadeh et al., 2024), and more recently, the Lip Field damage model (Chevaugeon & Moës, 2022; Moës et al., 2022) ...
Phase Field damage model has been widely adopted over the past few decades, and it primarily builds on the foundational work of Ambrosio and Tortorelli (Ambrosio & Tortorelli, 1990). The excitement for this method within the mechanics community surged following the publication of Miehe’s influential work (Miehe et al., 2010). More recently, Wu proposed a unified formulation of the Phase Field model (Wu, 2017), enabling the treatment of different Phase Field versions, such as PF-AT1, PF-AT2, and PF-CZM ... This lecture will present a critical analysis of the Phase Field damage model. The first part will be dedicated to the PFDam tool, developed in the LEME laboratory on the FEniCS open-source computing platform. Then, various Phase Field damage models and resolution strategies will be compared within a quasi-static framework. In the final part, some preliminary results will be discussed from the extension of the PFDam tool to dynamic scenarios.
Damage simulation of structures using Phase-field damage model: Opportunities and Challenges
Predicting the maximum load that a (quasi-)brittle specimen can sustain, along with determining the correct crack path, is a crucial scientific and practical challenge. A natural approach to address this problem is to identify appropriate criteria. Strength and toughness criteria are well-suited for simple specimens with either no defects or an existing crack. However, when defects are present, the criteria become more complex and require more sophisticated approaches. Over the last few decades, numerous models have demonstrated their ability to predict both critical loads and crack paths effectively. Some of these models include the Thick Level Set (TLS) models (Moës et al., 2011; Zghal et al., 2018), Phase Field damage models (Miehe et al., 2010; Wu, 2017), Peridynamics (Diehl et al., 2022; Jafarzadeh et al., 2024), and more recently, the Lip Field damage model (Chevaugeon & Moës, 2022; Moës et al., 2022) ...
Phase Field damage model has been widely adopted over the past few decades, and it primarily builds on the foundational work of Ambrosio and Tortorelli (Ambrosio & Tortorelli, 1990). The excitement for this method within the mechanics community surged following the publication of Miehe’s influential work (Miehe et al., 2010). More recently, Wu proposed a unified formulation of the Phase Field model (Wu, 2017), enabling the treatment of different Phase Field versions, such as PF-AT1, PF-AT2, and PF-CZM ... This lecture will present a critical analysis of the Phase Field damage model. The first part will be dedicated to the PFDam tool, developed in the LEME laboratory on the FEniCS open-source computing platform. Then, various Phase Field damage models and resolution strategies will be compared within a quasi-static framework. In the final part, some preliminary results will be discussed from the extension of the PFDam tool to dynamic scenarios.
Partenaires
As an Associate Professor at the IUT of Ville d'Avray in the GMP department of the University of Paris Nanterre since 2020, my research focuses on the characterization and damage analysis of structures. These projects, carried out at the LEME laboratory, are structured into two main domains:
- The first domain is experimental and encompasses two key themes:
* The development of test protocols for characterizing the behavior and damage mechanisms of dental materials, in collaboration with the MMB team at the ICube laboratory.
* The characterization of the behavior and damage properties of functionally graded materials.
- The second one is numerical and focuses on simulating structural damage using various models used on damage mechanics.
Quasi-static 3 points bending test on PMMA sample with initial notch
Unveiling Hydrophobic-Driven Gelation: Exploring the case of Carboxymethylcellulose (CMC) Hydrogels.
The sodium salt of carboxymethylcellulose (NaCMC) is a water-soluble derivative of cellulose, which is broadly used for industrial applications such as food, pharmaceuticals, paints, etc., and serves as a thickener and water retention. The properties of NaCMC can be exquisitely tuned via their degree of substitution (DS), which corresponds to the average number of carboxymethyl groups per repeating glucose unit and varies between 0 and 3. Highly substituted polymers, i.e., for DS >1, are hydrophilic and disperse easily in water, yielding rheological features typical of polyelectrolyte solutions. In contrast, weakly substituted polymers, i.e., for DS<0.9, contain hydrophobic regions, which favor interchain aggregation and the formation of so-called ``fringed micelles'' yielding thixotropic and even gel-like properties at high enough concentrations. Here we show that gelation of NaCMC solution can be induced by lowering the pH, which decreases the charge density along the CMC chain and promotes the formation of multichain aggregates.
Offshore Geotechnical Solutions: from centrifuge modeling to applications to torpedo anchors.
The lecture focuses on the use of advanced centrifuge modeling to enhance the understanding of offshore structures behavior. The example chosen is the torpedo pile used to anchor FPSO platforms in marine clay soils in deep water environment. The presentation compares the performance of vertical and inclined torpedo anchors, as well as torpedo clusters with varying spacing. The results of vertical pullout tests are also compared with API recommendations.
Offshore geotechnical solutions: from centrifuge modeling to applications for wind farms foundations.
The lecture focuses on the use of advanced physical modeling to enhance the understanding of offshore structure behavior. The example chosen is the monopile foundations for wind farms. The results of monotonic loading tests are presented and measured p-y curves are compared with API recommendations. In addition, the results of 100.000 cyclic loading tests are shown, with emphasis on the variation of stiffness and natural frequency with the number of cycles.
Depuis 10 jours, sur le campus de Saint-Martin-d’Hères, devant l’INSPÉ (Institut National Supérieur du Professorat et de l’Éducation), 50 étudiant·e·s issu·e·s des formations architecture et ingénierie civile ont travaillé pour concevoir et construire un abri vélo, du mobilier intérieur et des aménagements paysagers à partir de matériaux de réemploi.
Cet événement est soutenu par la Région Auvergne Rhône Alpes, par Grenoble-Alpes Métropole, par la direction de la culture UGA, par la VP RSE (Responsabilité Sociétale et Environnementale), par La Design Factory de l’UGA, par la DGD patrimoine, Aménagement et Transition énergétique, par le CROUS de Grenoble, par l’INSPÉ par l'ÉNSA-M et par l'UFR PhITEM.
The end of single plastic packaging is scheduled in France (~2030) and in Europe (~2040). Cellulosic materials such as paper and cardboard are today the only viable bio-sourced alternative, biodegradable and already 70% recycled, which can reach a mass market. Paper is a multiporous material with a large surface area accessible to contaminants. The transport of contaminants via the gas phase or cycles of (ad)sorption/desorption between the different components (shipping boxes, paper, and board), between the fibers and finally between the food particles (powder, grains, flake) is supposed to be the critical factor in food packaging. The roles of the connectivity of voids, micro-, and macro-pores, and the effects of the entanglement of fibers, specific surface area, surface composition, and relative humidity are poorly understood.
The aim of this PhD work is i) to perform an experimental characterization of the organization and morphologies of the fibrous network at microscopic and nanoscopic scales (from hundreds μm down to
20 nanometers) using X-ray Tomography. New materials with MFC based functional barrier will combine 150 to 400 μm thick paper with a 30 μm thick MFC (cellulose microfibres) layer. A stepwise procedure will be applied according to the size of the considered fibers in each layer and at their common interface. and ii) to reconstruct the 3D numerical models of such networks and fibers. These 3D models will be then use to investigate numerically contaminants transport through the (nano) cellulose fibers networks. The results of such multi-scale modelling will be compared to experimental data.
General information:
Workplace: Laboratoire 3SR, Grenoble, France. This work will done in collaboration with the CTP (Centre Technique du Papier) in Grenoble.
Contract from ANR FoodSafeBioPack
Expected date of employment: 1st October 2021
Deadline for application: 1st May 2021
Growth monthly salary is about 2780€.
Desired level of education: Master degree or equivalent
Début de la thèse prévue pour septembre 2021
Durée: 3 ans
Saint-Martin-d'Hères - Domaine universitaire
Simulations multi-échelles à large amplitude pour les structures béton armé : apport des méthodes de décomposition de domaines à l'échelle mésoscopique
L'objectif de ce projet de thèse est de développer un cadre permettant de faire des simulations numériques d'éléments de structures du Génie Civil en béton armé tout en prenant en compte explicitement les hétérogénéités du matériau. Afin d'optimiser les ressources numériques nécessaires, une méthode de décomposition de domaines sera développée permettant de distribuer de multiples simulations concomitantes.
Thématique
Le vieillissement des structures de Génie Civil entraîne d'importants questionnements économiques et écologiques quant au choix entre leur maintenance ou leur remplacement. C'est dans ce contexte que se justifie l'approfondissement des connaissances sur le comportement des matériaux cimentaires, de leurs mécanismes de dégradation à court et long terme ainsi que de leur comportement au sein d'une structure.
Ce domaine scientifique requiert des compétences interdisciplinaires : mécanique des milieux continus non linéaires, comportement des matérieux cimentaires, transferts de masses dans les milieux poreux, calcul numérique à haute performance.
Il est aujourd'hui clairement établi que les mécanismes de dégradation des structures en béton observés à l'échelle macroscopique trouvent leurs origines dans un ensemble de phénomènes physiques et chimiques qui s'opèrent à une échelle plus fine. Leurs conséquences à l'échelle macroscopique sont importantes et ont une influence notable sur la durabilité des structures et donc leur durée de vie.
Ce constat est la pierre angulaire de ce projet qui a pour but de renforcer les liens entre ces échelles.
Domaine
Le cadre du projet est le développement de méthodes numériques permettant de rendre compte du comportement mécanique des matériaux cimentaires en modélisant leur structure à différentes échelles. Les échelles retenues sont:
Pour l'échelle fine : l'échelle mésoscopique (de l'ordre du mm) pour laquelle sont modélisées les hétérogénéités du matériau (agrégats et macro porosité) ainsi que des éléments d'armatures.
Pour l'échelle macroscopique : l'échelle de la structure (de l'ordre de quelques décimètres) pour laquelle des sollicitations classiques d'éléments sont modélisées (poutres, poteaux, ...)
La modélisation du comportement mécanique rentre dans le cadre des modèles mésoscopiques [Wriggers, 2006] via l'utilisation d'une méthode Éléments Finis Enrichis adaptés aux matériaux hétérogènes quasi-fragiles [Roubin, 2015a]. Des campagnes expérimentales sous tomographie à RX ont permis de valider la pertinence de ces méthodes [Stamati, 2019] dans un tel cadre. Cependant, les ressources numériques nécessaires aux approches mésoscopiques contraignent les applications à des calculs à l'échelle du matériau.
Modèle mésoscopique utilisé [Roubin, 2015a]
Afin de pouvoir appliquer ce type de modèle à l'échelle de la structure, plusieurs approches sont envisageables :
Des méthodes de réduction de modèle : le comportement de la mésostructure est projeté sur une base de modes propres obtenus par la POD.
Des méthodes de couplage fort entre les échelles : le comportement de la mésostructure est homogénéisé numériquement aux points d'intégration du calcul macroscopique (méthode des « éléments finis au carré »).
Des méthodes de décomposition de domaines : l'échelle macroscopique est « découpée » en plusieurs sous-domaines qui font l'objet de calculs mésoscopiques quasi-indépendants. À l'échelle de la structure, un unique calcul macroscopique grossier est nécessaire, permettant de contrôler les conditions aux limites de chaque calcul fin. Ceux-ci peuvent ainsi être distribués sur des ressources différentes (CPU, RAM).
L'impact de la mésostructure sur le comportement des structures de Génie Civil n'étant pas encore clairement identifié, c'est la méthode de décomposition de domaines qui est retenue dans ce projet. Contrairement aux deux autres approches présentées, elle conserve l'intégralité de la réponse à l'échelle fine au niveau de la structure, ce qui semble pertinent dans le cadre de la modélisation de propagations de fissures. Le développement de ces méthodes sera basé sur des algorithmes éprouvés depuis des décennies dans le cadre de l'élasticité linéaire et l'attention sera particulièrement portée sur le choix des fonctions d'interpolations entre les sous domaines (comme les méthodes « mortiers ») [Wohlmuth, 2001].
Résultats préliminaires
Objectifs
L'objectif de ce projet de thèse est de développer des méthodes de décomposition de domaines afin de pouvoir effectuer des calculs mésoscopiques rendant compte explicitement de la mésostructure et des éléments d'armature à l'échelle de la structure.
Le premier objectif est de travailler sur un verrou scientifique lié au couplage entre le modèle utilisé et les méthodes de décomposition de domaines. Il n'a pas encore été montré dans la littérature que les modes de rupture des matériaux cimentaires (fissuration), et plus généralement que les comportements non linéaires adoucissants, sont modélisables avec ces méthodes de décomposition. La problématique principale est de réussir à modéliser la propagation des fissures à travers plusieurs sous-domaines, sans modification due à la frontière. Des études préliminaires ont montré des signes prometteurs si les fonctions d'interpolation des problèmes d'interface sont bien choisies (mortiers) [Vallade, 2016].
Le deuxième objectif est d'appliquer ce cadre numérique à des calculs de structure, alliant ainsi, de façon innovante et directe, l'échelle mésoscopique et l'échelle de la structure. Des essais récents effectués sur des nouveaux types de renforts (câbles) pourront être une base de données expérimentales nécessaire à la validation du modèle [Colyvas, 2020].
Contexte
Dans le cadre de l'étude du comportement mécanique des matériaux cimentaires l'échelle mésoscopique porte une quantité importante d'informations liées à sa structure comme la géométrie et la topologie de la morphologie, les propriétés mécaniques de ses phases, les différents mécanismes de fissurations. Les modèles de simulation dits « mésoscopiques » s'intéressent à représenter ces informations aux échelles fines (résolution de l'ordre du millimètre) afin de les prendre en compte explicitement. Ainsi, ces modèles permettent d'adopter une démarche explicative afin d'analyser les conséquences de la mésostructure sur le comportement macroscopique du matériau qui émerge naturellement des simulations.
Les différentes phases matérielles de la mésostructure du matériau étant explicitement représentées (agrégats, porosité, pâte de ciment, ...), la phénoménologie nécessaire pour représenter un comportement donné est donc nécessairement moins complexe que celle employée par des modèles macroscopiques. Cependant, d'un point de vue technique, cet avantage est à mettre en opposition avec la complexité accrue de la méthode de calcul inhérente à la représentation de la mésostructure.
Parmi les problèmes rencontrés par ces approches, ce projet s'intéresse à réduire les coûts des simulations (le coût étant directement lié à la finesse de la discrétisation de la mésostructure) en adoptant des méthodes de décomposition de domaine. De telles approches permettraient, en réalisant des simulations plus performantes, de faire évoluer les problématiques qui peuvent être adressées vers deux échelles opposées : l'échelle de la structure (taille de l'ordre du mètre) et l'échelle microscopique (hétérogénéités de l'ordre du dixième de millimètre).
La mise en place de ces méthodes entraînera l'utilisation du supercalculateur régional (UMS Gricad, hébergé par l'UGA), voir national (Jean Zay).
Méthode
Plusieurs choix de méthodes sont nécessaires pour établir le cadre numérique de ce projet: a. le modèle morphologique nécessaire à la représentation des hétérogénéités de la mésostructure b. le modèle mécanique permettant de rendre compte de la fissuration du béton dans un cadre hétérogène c. la méthode de décomposition de domaines permettant d'effectuer les calculs à l'échelle de la structure.
Modèle morphologique: le modèle retenu est basé sur le principe d'excursions de champs aléatoires corrélés [Roubin, 2015b]. Il permet en effet de pouvoir assurer des conditions de continuité aux bords des sous domaines et de générer des morphologies aléatoires à plusieurs phases et à formes non idéales (entraînant ainsi des concentrations de contraintes plus réalistes).
Modèle mécanique : la méthode des Éléments Finis doublement Enrichis est retenue ici [Roubin, 2015a]. Développée par l'équipe encadrante depuis bientôt 10 ans, les récentes campagnes expérimentales ont montré la pertinence de son utilisation dans le cadre de la fissuration des bétons [Stamati, 2019].
Décomposition de domaines : la décomposition de domaines est à voir dans ce projet comme un moyen de communiquer entre l'échelle mésoscopique et l'échelle de la structure . Les différentes méthodes peuvent se regrouper en deux familles : les méthodes séquencés (communication unidirectionnelle de l'échelle macroscopique vers l'échelle fine) et les méthodes intégrées (communication dans les deux sens) [Feyel, 2001]. C'est dans ce dernier cadre que le modèle est utilisé et le raccord entre les est effectué afin d'assurer la continuité des déplacements et des contraintes entre les sous domaines (méthodes hybrides) [Allix et Gosselet, 2020].
Le développement du modèle mécanique a été pensé dans l'optique d'une stratégie multi-échelle et possède les moyens techniques de communication nécessaires à la décomposition de domaines (développement orienté composant, [Kassiotis, 2008]).
En mode de production, ces méthodes nécessitent l'utilisation de supercalculateurs au moins de la taille des supercalculateurs régionaux (politique encouragée par le CNRS) pour pouvoir analyser l'extensibilité des calculs (scalability). L'Université Grenoble Alpes héberge le super calculateur de notre région (Gricad) dont l'accès est ouvert à ce genre de projets académiques. La possibilité de rejoindre le super calculateur national (Jean Zay) géré par la société civile GENCI (Grand Équipement National de Calcul Intensif) est également envisagée.
Utilisation des calculateurs régionaux
Résulats attendus
Lever le verrou scientifique relatif à la propagation de fissures macroscopiques en EF et en utilisant une méthode intégrée de décomposition de domaines.
Appliquer la méthode à des éléments de structure en béton armé, jusqu'à la comparaison avec des essais issus de la littérature.
Ouvrir des perspectives vers la modélisation mécanique de structures complètes jusqu'à rupture. Avec prise en compte des conditions environnementales (par exemple l'état hydrique).
Références bibliographiques
[Wriggers, 2006] Mesoscale models for concrete: Homogenisation and damage behaviour, Finite Elements in Analysis and Design, 2006.
[Roubin, 2015a] Multi-scale failure of heterogeneous materials: A double kinematics enhancement for Embedded Finite Element Method, International Journal of Solids and Structures, 2015.
[Stamati, 2019] Tensile failure of micro-concrete: from mechanical tests to FE meso-model with the help of X-ray tomography, Meccanica, 2019.
[Wohlmuth, 2001] Discretization Methods and Iterative Solvers Based on Domain Decomposition, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 2001.
[Vallade, 2016] Modélisation multi-échelles des shales : influence de la microstructure sur les propriétés macroscopiques et le processus de fracturation, Thèse, 2016.
[Colyvas, 2020] Behavior of Reinforced Concrete Beams using Wire Rope as Internal Shear Reinforcement, Engineering, Technology & Applied Science Research, 2020.
[Roubin, 2015b] Mesoscale modeling of concrete: A morphological description based on excursion sets of Random Fields, Computational Materials Science, 2015.
[Feyel, 2001] Multi-scale non-linear FE2 analysis of composite structures: damage and fiber size effects, 2001, Revue européenne des ÉlémentsFinis : NUMDAM'00.
[Allix et Gosselet, 2020] Non intrusive Global/local coupling techniques in solid mechanics: an introduction to different coupling strategies and acceleration techniques, Modeling in Engineering Using Innovative Numerical Methods for Solids and Fluids, 2020.
[Stamati, 2020] SPAM: Software for Practical Analysis of Materials, Journal of Open Source Software, 2020.
Algorithme de décomposition de domaine
Profil recherché
Deux types de profil
Étudiant.e en maths/info ayant un goût pour les applications en ingénierie, notamment l’étude du comportement non-linéaire des matériaux et des structures.
Étudiant.e en mécanique/génie mécanique/génie civil ayant un goût pour la simulation numérique avancée.
Compétences
Le projet possède un fort aspect numérique et nécessite le développement d’aptitudes en calcul scientifique intensif (environnement Linux, codes Python et C++, HPC (MPI))
