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Thèse Année : 2021

Multi-contacts problems solving : methods and applications

Résolution de problèmes multi-contacts : méthodes et applications

Résumé

Nowadays, the understanding of granular media and their behaviors is becoming a major issue for industries in several sectors. The scientific community that is particularly interested in the study of these media is not only faced with the complex character of the interactions governing their dynamics, but also with the recurrent and growing need to simulate them. In front of these challenges, tools adapted to model granular dynamics have emerged, mainly grouped under the term of Discrete Element Method (DEM). Granular dynamics is then governed by Newton’s second law of motion combined with a regular contact model. Later, other discrete element based strategies have been developed, especially the Non-Smooth Contact Dynamics (NSCD) approach, which consists of taking into account the frictional contact interactions collectively during a time step, without using a regularization process, and whose management of the non-smoothr dynamics equations is done through the Non-Linear Gauss-Seidel algorithm (NLGS). The literature is full of numerical methods to solve these equations, but recently, Primal-Dual Active Set (PDAS) methods have emerged as simple to implement and efficient methods to solve these kinds of problems. These methods are based on the following principle : the frictional contact conditions are reformulated in terms of non-linear complementary functions, whose solution is provided by Newton’s semi-smooth iterative method. On the basis of these prerequisites, the objective of this thesis work is to provide a generalization of the NSCD-PDAS approach for both elastic and hyperelastic contact problems, as well as for rigid multi-body dynamics ones. Particular attention is paid to the development of an algorithm for solving contact and friction laws in the non-smooth framework of NSCD in granular media. Several numerical experiments are reported for verification and validation purposes, and also to evaluate the efficiency and assess the performances of PDAS methods compared to other numerical methods. Finally, in order to integrate the NSCD-PDAS approach in a pure application framework, the implementation has been carried out in an open source solver, allowing to inherit the massive parallelism, to simulate fluid-granular coupled flows, and to compare the performances with the DEM approach specific to the solver.
De nos jours, l’appréhension des milieux granulaires et de leurs comportements devient un enjeu majeur pour les industriels de plusieurs secteurs d’activité. La communauté scientifique qui s’intéresse particulièrement à l’étude de ces milieux se trouve non seulement confrontée au caractère complexe des interactions régissant leur dynamique, mais surtout au besoin récurrent et croissant de les simuler. Face à ces défis, des outils adaptés permettant de modéliser la dynamique granulaire ont vu le jour, principalement regroupés sous le terme de Méthode des Éléments Discrets (DEM). La dynamique granulaire est alors gouvernée par la deuxième loi de mouvement de Newton combinée à un modèle de contact régulier. Plutard, d’autres stratégies de simulations par éléments discrets ont été élaborées, notamment l’approche Non-Smooth Contact Dynamics qui consiste à prendre en compte les interactions de contacts avec frottement collectivement au cours d’un pas de temps, sans avoir recours à un processus de régularisation, et dont La gestion des équations de la dynamique non-régulière se fait au travers de l’algorithme de Gauss-Seidel non-linéaire (NLGS). La littérature regorge de méthodes numériques permettant de résoudre ces équations, mais récemment, les méthodes type Primal-Dual Active Set (PDAS) ont émergé comme des méthodes simples à mettre en oeuvre et efficaces pour résoudre ce genre de problèmes. Ces méthodes sont basées sur le principe suivant : les conditions de contact et de frottement sont reformulées sous forme de fonctions de complémentarité non-linéaires dont la solution est fournie par la méthode itérative semi-régulière de Newton. Sur la base de ces prérequis, l’objectif de ce travail de thèse vise à fournir une généralisation de l’approche non-régulière NSCD-PDAS aussi bien pour les problèmes de contacts élastiques et hyperélastiques que pour ceux en dynamique multi-corps rigide. Un soin particulier est attaché à la mise au point d’un algorithme de résolution des lois de contact et de frottement dans le cadre non-régulier de la NSCD en milieu granulaire. Plusieurs simulations numériques sont rapportées à des fins de vérification et de validation, mais également pour évaluer l’efficacité et les performances des méthodes PDAS par rapport à d’autres méthodes numériques. Enfin, dans un soucis d’intégration de l’approche NSCD-PDAS dans un contexte purement applicatif, l’implémentation a été réalisée dans un solveur open source permettant à la fois d’hériter du parallélisme massif, de simuler des écoulements granulaires couplés au fluide, et de comparer les performances par rapport à la DEM propre au solveur.
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These_Cherkaoui_Soufiane_2021.pdf (15.4 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03456449 , version 1 (30-11-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03456449 , version 1

Citer

Soufiane Cherkaoui. Résolution de problèmes multi-contacts : méthodes et applications. Systèmes dynamiques [math.DS]. Université de Perpignan, 2021. Français. ⟨NNT : 2021PERP0025⟩. ⟨tel-03456449⟩
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