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Lettre d’information

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Lettre d'information du 11 avril 2017

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Recent advances in code_aster for non-linear mechanics

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Lettre d'information

Analyse des Structures et Thermo-mécanique
pour des Etudes et des Recherches

Quoi de neuf dans le contact ?

par M. Abbas, D. Kudawoo et G. Drouet ; EDF / R&D / AMA

Simulation d’emboutissage en 3D par la méthode LAC

Des changements importants sont intervenus dans la simulation du contact avec la version 13 de code_aster.

Vous avez dit contact ?

En premier lieu, certains utilisateurs ont pu constater la suppression de certaines méthodes, en particulier celles simulant le frottement.
En effet, avec l’arrivée à maturité de la formulation "continue", les méthodes historiques "discrètes" lagrangiennes, très peu robustes, ont été supprimées. Néanmoins les méthodes discrètes de type "pénalisation" ont été conservées, ainsi que les méthodes des contraintes actives et gradient conjugué projeté (pour le contact sans frottement). Ces méthodes sont toujours pertinentes pour les problèmes linéaires.

Pour les problèmes non-linéaires (plasticité, grandes déformations, etc), la méthode de choix reste la formulation continue, de loin la plus robuste.

Des avancées majeures pour le contact en quadratique

Enfin, une nouvelle méthode a fait son entrée dans code_aster, il s’agit de la méthode LAC (Local Average Contact), issue des travaux de recherche menés par Guillaume Drouet et Patrick Hild. Cette méthode fait partie de la famille des méthodes mortar et permet de résoudre de manière très précise les problèmes de contact avec maillages incompatibles, quadratiques, voire courbes.

code_aster sait désormais gonfler des ballons !

par N. Lauzeral (École Centrale Nantes) ; T. De Soza (EDF / R&D / ERMES)

Dans le cadre du stage de fin d’études de Nathan Lauzeral, un nouvel élément fini de membrane a été développé dans code_aster.

Un élément documenté et vérifié

L’élément fini développé permet la modélisation de membranes en grandes transformations pour des simulations quasi-statiques non-linéaires. Il supporte deux lois de comportement hyperélastiques (de type Néo-Hookéen ou Saint-Venant Kirchhoff), s’utilise avec des éléments linéaires ou quadratiques et est complètement compatible avec le contact-frottement.
Pour plus détails sur son utilisation, on consultera la documentation [U2.02.01] et les cas-tests SSNS115 et SSNS116.

Perspectives

Les développements futurs pourront porter sur la vérification de l’élément en dynamique non-linéaire - la matrice de masse a été développée mais pas activée faute de cas-tests adaptés - ainsi que sur la prise en compte de forces suiveuses dans les méthodes de pilotage du chargement.
Ce dernier point est utile pour les simulations de vérins souples dont la mise en pression est fortement non-linéaire.

Disponible à partir de la version 13.2.12.

Comparaison entre essais et calculs pour le comportement thermo-hydraulique et thermo-mécanique des robinets

par D. Hersant, J. Ferrari, J.-P. Mathieu, J.-F. Rit, S. Meunier, EDF R&D / MMC

Contexte

Une campagne d’essais de qualification de robinets aux chocs thermiques a été menée sur un spécimen instrumenté. Les essais consistent à envoyer successivement dans l’appareil de l’eau sous pression chaude, puis de l’eau sous pression froide, et ainsi de suite selon le nombre de cycles souhaité (dix cycles pour cette comparaison). L’instrumentation se compose de 38 thermocouples répartis sur toute la hauteur du robinet, douze jauges de déformation dans les goujons de la bride corps-chapeau et des mesures d’ouverture de cette bride. Parallèlement, un modèle numérique a été construit, reproduisant l’appareil, les conditions de sollicitations et les grandeurs physiques mesurées.

Simulation numérique

La simulation fluide a été réalisée avec Code_Saturne. On obtient ainsi des cartes de coefficients d’échange thermique en paroi, utilisées comme conditions limites pour la partie thermique du calcul thermomécanique, qui est réalisée avec Code_Aster.
Le maillage pour le calcul thermique comprend 2,7 millions de tétraèdres et la résolution numérique avec le solveur PETSc nécessite deux heures sur huit processeurs sur le cluster EDF. Le maillage pour le calcul mécanique comprend 0,8 millions d’éléments et 5000 nœuds de contact (formulation continue). La résolution numérique (en élasticité) avec le solveur MUMPS nécessite 21 heures sur douze processeurs.

Comparaison

La comparaison essais/simulation est fondée sur les courbes rassemblant la cinquantaine de voies de mesure doublées de celles issues des résultats de simulation sur les dix chocs alternés.

Un telle comparaison permet :

  • d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques entrant en jeu lors des chocs thermiques ;
  • de cerner le domaine de validité de ces simulations ;
  • éventuellement de justifier des simplifications ;
  • et finalement, de répondre aux questions inaccessibles aux essais, comme la représentativité de débits d’essais faibles ou l’effet de taille dans une gamme de robinets.

Enfin, la richesse des données recueillies, notamment des données de déformation résiduelle du corps, pas encore exploitées, permettra aussi d’étudier les effets de plasticité.

Figure 1 : Specimen instrumenté
FIgure 2 : résultat de la simulation thermique
Figure 3 : courbes issues des voies de mesure et de la simulation sur les dix chocs alternés
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Structures and Thermomechanics Analysis
for Studies and Research

What’s new in contact simulation ?

by M. Abbas, D. Kudawoo and G. Drouet ; EDF / R&D / AMA

3D stamping simulation with LAC method

Significant changes have occurred in the simulation of contact with version 13 of code_aster.

You said contact ?

First, you may have noticed that some methods have been removed, particularly those that simulate friction.
Indeed with the CONTINUE formulation now being used on a daily basis for industrial applications, historical "discrete" Lagrangian methods, hardly robust, have been removed. Nevertheless, discrete methods such as those based on penalty methods have been preserved, as well as the active set constraints and projected conjugate gradient (for contact without friction). These methods are still relevant for linear problems.

For non-linear problems (plasticity, large strains, etc), the CONTINUE formulation remains the recommended choice.

Major progress for quadractic contact

Finally, a new method has been added to code_aster, the LAC method (Local Average Contact), after research works (PhD) conducted by Guillaume Drouet and Patrick Hild. This method belongs to the family of "mortar" methods and is able to very accurately solve contact problems with incompatible meshes, quadratic or curved elements.

code_aster now knows how to inflate balloons !

by N. Lauzeral (École Centrale Nantes) ; T. De Soza (EDF / R&D / ERMES)

As part of Nathan Lauzeral’s internship, a new finite element of membrane was developed in code_aster.

A documented and verified element

The implemented finite element allows the modeling of membranes in large transformations for nonlinear quasi-static simulations. It supports two hyperelastic constitutive laws (Neo-Hookean type or Saint-Venant Kirchhoff), it is used with linear or quadratic elements and is fully compatible with contact-friction.
For more details on its use, see the documentation [U2.02.01] and case studies SSNS115 and SSNS116.

Perspectives

Future developments may concern verification of the element in non-linear dynamics - the mass matrix has been developed but not activated due to the lack of suitable test cases - as well as the taking into account of follower forces in continuation methods.
This last point is useful for the simulations of flexible cylinders for which the application of pressure yields highly non-linear calculations.

Available starting from version 13.2.12

Comparison between tests and calculations for the thermo-hydraulical and thermo-mechanical behavior of valves

by D. Hersant, J. Ferrari, J.-P. Mathieu, J.-F. Rit, S. Meunier, EDF R&D / MMC

Context

A valve qualification test campaign regarding thermal shock was conducted on an instrumented specimen. The tests consist in successively pumping pressurized hot water in the valve then cold water and so on until the desired number of cycles is reached (ten cycles for the current comparison). The instrumentation consists of 38 thermocouples distributed over the entire height of the valve, twelve strain gauges into the studs of the body-cap flange and clearance measurements of this flange. Meanwhile, a numerical model of the device was built with the same conditions of stress and the measured physical quantities.

Numerical simulation

The fluid simulation was performed with Code_Saturne. This results in a map of heat exchange coefficients near the walls, used as boundary conditions for the thermal part of the thermomechanical calculation, which is carried out with Code_Aster.
The mesh for the thermal calculation includes 2.7 million tetrahedrons and the numerical solution with the PETSc solver requires two hours on eight processors of EDF cluster. The mesh for the mechanical calculation includes 0.8 million elements and 5000 contact pairs (continuous formulation). Numerical resolution (linear elasticity) with the MUMPS solver requires 21 hours on twelve processors.

Comparison

Comparison between tests and simulation is based on the curves obtained from the fifty measurement channels along with those from the simulation results following the ten alternating shocks.
Such a comparison allows :

  • to improve the understanding of physical phenomena at play during thermal shocks ;
  • to identify the domain of validity of the simulations ;
  • to possibly justify simplifications ;
  • and finally, to answer questions inaccessible to testing such as the valid representation of low rates or the sizing effect in a range of valves.

Finally, the vast amount of data collected, including information on the residual deformation of the body, not yet exploited, will also allow further investigation of the effects of plasticity.

Figure 1 : Specimen instrumented
Figure 2 : Results of the thermal simulation
Figure 3 : Curves obtained from measurement channels and simulation of the ten alternating shocks
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