PhD


Sujet de thèse Université de Picardie Jules Verne – Campus de Saint Quentin (06/04/2017)

Simulation numérique du comportement multiphysique de matériaux poreux Couplage thermo-hydro-mécanique par la Méthode des Eléments Finis

Durée : 3 ans, à compter du 1er septembre 2017 (au plus tard)
Lieu : Laboratoire des Technologies Innovantes (EA3899) – 48 rue d’Ostende 02100 Saint Quentin
Financement : par le programme de coopération territoriale européenne Interreg V France-Wallonie-Vlaanderen (cofinancé par le FEDER)
Mots clés : Simulation numérique. Méthode des Eléments Finis (MEF). Couplage thermo-hydro-mécanique. Volumes Elémentaires Représentatifs (VER). Langage de programmation C++/Fortran.

Contexte et enjeux :
Le travail de thèse sera réalisé dans le cadre du projet de recherche CUBISM – Développement de capteurs d’humidité et de pression pour suivre le séchage de matériaux réfractaires, qui s’inscrit dans le programme de coopération transfrontalière INTERREG V France-Wallonie-Vlaanderen. Le séchage des matériaux réfractaires est une des étapes les plus délicates lors de la première chauffe d’une installation. En effet, lors de la montée en température, l’eau ajoutée au mélange initial peut se transformer en vapeur et engendrer une augmentation de pression dans le matériau. Si cette pression devient supérieure à la résistance mécanique, on peut voir apparaitre des fissures voire une explosion du garnissage des installations. A ce jour, aucun système de contrôle n’est disponible pour garantir l’intégrité du réfractaire durant la mise en route de l’installation, et plus tard en service. L’objectif du projet CUBISM est de proposer des capteurs d’humidité et de pression intégrés dans le matériau, pour un monitoring efficace du cycle de mise en œuvre. Les capteurs de pression développés seront de type ultrasonore, exploitant la propagation d’ondes de surface (capteur SAW) sur un substrat poreux piézoélectrique. Sous l’action de la pression, le substrat pourra subir une déformation mécanique et modifier le parcours de l’onde.

Objectifs :
Il s’agira d’étudier numériquement l’influence de la pression de gaz interne sur le comportement mécanique d’un matériau poreux en fonction de l’architecture (taille et distribution des pores, …). On s’intéressera dans un premier temps à l’étude du comportement mécanique du matériau, à la prédiction de l’endommagement et à la réponse vibratoire du matériau sous sollicitations. Dans cette première phase d’étude, le candidat retenu sera amené à reprendre des outils de conception de Volumes Elémentaires Représentatifs (VER), à savoir des motifs géométriques représentatifs du matériau et de sa microstructure. Dans un second temps, le travail s’élargira au cadre d’un comportement multiphysique de type thermo-hydro-mécanique où le candidat devra, après étude bibliographique approfondie, apporter des solutions de couplage adaptées aux conditions considérées (températures montant à près de 500°C et pression dépassant les 60 bars). Il sera également amené à développer ses propres routines éléments finis au sein du code multiCAMG dédié à la modélisation de milieux à microstructures complexes.

Cadre de suivi de projet :
S’agissant d’un travail de recherche qui s’inscrit dans le cadre d’un projet européen (INTERREG V), regroupant plusieurs partenaires transfrontaliers, le thésard participera donc aux différentes réunions du consortium. Ces réunions dont l’objectif est d’assurer un suivi périodique du projet, permettront au thésard de présenter aux partenaires les résultats intermédiaires de son travail de thèse. Il aura également à rédiger des rapports d’avancement semestriels et entretenir des échanges réguliers avec les partenaires pour répondre efficacement aux objectifs du projet.

Contacts :
Emmanuel Bellenger (Pr) : emmanuel.bellenger@u-picardie.fr
Willy LECLERC (MdC) : willy.leclerc@u-picardie.fr ; Tél : 03 23 50 36 97
Christine PELEGRIS (MdC) : christine.pelegris@u-picardie.fr
Laboratoire des Technologies innovantes EA 3899 – Saint Quentin – UPJV

Sujet de thèse

Sujet de thèse Laboratoire de Mécanique de Lille (25/01/2017)

Pilotage d’essais bi-axiaux d’endommagement de matériaux composite par corrélation d’images numériques

En raison de leurs excellentes propriétés spécifiques, l’utilisation des matériaux composites s’est généralisée au domaine des transports civils et militaires afin d’optimiser l’allègement des structures dans un objectif de réduction de consommation. Cependant l’aspect fortement hétérogène de ces matériaux les rend complexes à étudier, ils sont de plus fortement sensibles au type de chargement de par leur anisotropie. L’enjeu du travail est de comprendre l’évolution de cet endommagement en sollicitant le matériau de manière multi-axiale. Des essais in-situ sous micro-tomographie X seront effectués afin de déterminer les scenario d’endommagements multi-axiaux et de proposer un modèle d’endommagement anisotrope. Les modèles d’endommagement nécessitent de nombreux essais pour pouvoir être identifiés. Le contrôle et la maîtrise des trajets de chargement par des techniques avancées d’analyse d’images et de calcul temps réel permettront de déterminer une cartographie expérimentale de l’endommagement en un seul essai. Cette cartographie pourra ainsi servir à la validation et à la comparaison des modèles d’endommagement existants. Ceci permettra de diminuer le nombre d’essais et de proposer des modèles représentatifs des conditions de chargement rencontrées dans des conditions réelles de fonctionnement.

Ce projet, en partenariat avec l’Onera et la DGA permettra de réduire les coûts de validation de ces matériaux, d’améliorer la fiabilité des modèles afin de réaliser un dimensionnement plus juste permettant d’optimiser l’utilisation de ces matériaux pour l’allègement et la durabilité des structures.

Ces méthodologies pourront être transposées à n’importe quelle classe de matériaux
Sujet de thèse

Sujet de thèse LMA / CEA IRFM, Cadarache (25/01/2017)

Étude de la mécanique des contacts entre brins composites supraconducteurs soumis à des chargements mécaniques, caractérisation et modélisation de l’impact sur les propriétés électriques.

Au cours des campagnes de qualification des conducteurs en Nb3Sn pour ITER, il a été observé une forte réduction de l’indice de transition (n-value) du conducteur par rapport à celui du brin, ainsi qu’une diminution drastique (facteur 2 à 10) des pertes en champ variable du conducteur au cours du cyclage électromagnétique. Ces deux phénomènes sont intrinsèquement liés à la capacité de redistribution du courant entre les brins du câble, et donc aux caractéristiques des contacts inter-brins. Ces contacts sont créés au cours des étapes de câblage et co-étirage (pré-traitement thermique dans le cas du Nb3Sn), puis évoluent avec les chargements thermiques et mécaniques du conducteur. Si un effort significatif a été fait ces dix dernières années pour comprendre et modéliser le comportement macroscopique du câble, les effets locaux au niveau des contacts, sont encore très imparfaitement compris et modélisés. De plus, ces contacts modulent la capacité pour chaque brin du câble à faire face à une réduction de sa capacité de transport locale en redistribuant le courant à ses plus proches voisins. Il est donc à prévoir que la dynamique des contacts, influencée par les paramètres de câblage, soit un facteur déterminant pour la réalisation d’un conducteur avec des performances électriques non-dégradées au cyclage (telles qu’observées, mais non encore expliquées, pour le conducteur du CS d’ITER).

Le travail de thèse consistera donc dans un premier temps à comprendre de façon très fine la mécanique des contacts et ses particularités dans le cadre multi-échelle décrit ci-dessus, et à étudier les paramètres (géométriques, mécaniques, matériaux) qui peuvent les influencer dans un câble. L’évolution de ces paramètres sous des chargements divers doit être étudiée, autant du point de vue théorique et modélisation qu’au cours de campagnes de mesures expérimentales. Il sera important de faire intervenir les variables macroscopiques (angle moyen de câblage, longueurs libres moyennes) dans ces considérations. A ce niveau, la mise en place d’outils numériques prédictifs, performants et précis sera nécessaire. Le lien avec les propriétés électriques, et donc avec des résultats expérimentaux, pourra se faire par l’amélioration et l’adaptation du code CARMEN, développé au CEA. Une fois ces outils mis en place, ils seront confrontés à des expériences dédiées (à concevoir), réalisées dans les stations d’essai de l’IRFM permettant de mesurer les propriétés supraconductrices ou les résistances de contact (BÉRÉNICE, JOSEPHA, NICHE). Ces confrontations codes-expériences serviront à valider les hypothèses des modèles, et éventuellement à les améliorer. Les modèles permettront ensuite de définir plus précisément les paramètres de contacts électriques dans les simulations de câbles multi-brins (dans CARMEN par exemple), et/ou d’améliorer les codes mécaniques macroscopiques existants pour lesquels les contacts sont encore imparfaitement traités (code MULTIFIL développé à Centrale-Supélec).

Enfin, il sera possible d’appliquer les outils de manière prospective, en vue d’optimisation, à de nouveaux designs de CICC tels que ceux envisagés par l’IRFM pour les conducteurs du futur réacteur DEMO.

Ce travail s’appuiera sur l’expérience du LMA sur la mécanique du contact, la mécanique des matériaux et les couplages multi-physiques ainsi que sur le travail réalisé au CEA/IRFM (code CARMEN) sur la modélisation électrique des câbles supraconducteurs. De plus, il bénéficiera des résultats des travaux de modélisation et des expériences (amélioration/validation des codes disponibles, fabrication et tests de maquettes) en cours dans le cadre du projet ANR Cocascope, et qui doivent se terminer fin 2016.

Equipe d’accueil : AMU
Directeur de thèse : Frédéric LEBON lebon@lma.cnrs-mrs.fr
Laboratoire : LMA
Equipe d’accueil : CEA Cadarache
Co-directeur de thèse : Daniel Ciazynski
Laboratoire : IRFM/STEP/GCRY

Sujet de thèse LMA / CEA, Marseille / Cadarache (24/01/2017)

Le but de cette thèse est de se doter d’une méthode numérique innovante permettant d’effectuer des calculs mécaniques sur des maillages très fins localement sans pénaliser le coût du calcul mécanique complet. En effet, de nombreuses situations physiques font apparaître des effets localisés (concentrations de contraintes, point chaud…) qui nécessitent de raffiner localement le maillage afin d’obtenir une bonne précision de la solution mécanique.

Afin de pallier aux principaux défauts des méthodes de raffinement adaptatifs standard (h-raffinement principalement), à savoir un nombre de degrés de liberté important et des maillages dégénérés ou non-conformes, des méthodes multi-grilles locales de type « Local Defect Correction » sont actuellement à l’étude au laboratoire. L’avantage de ces méthodes réside dans l’utilisation de sous-grilles localisées autour de la (ou les) zone(s) d’intérêt, régulières et structurées, sur lesquelles la résolution est non intrusive (solveur en boite noire) et peu coûteuse en temps de calcul.

Le principal objectif de la thèse est d’étendre l’algorithme développé et déjà vérifié sur des comportements élastiques linéaires et des non-linéarités de type contact-frottement, à des lois de comportements non-linéaires avec effet d’histoire (adaptation dynamique de maillages, conservation des variables internes,…). Une analyse théorique de l’algorithme sera également menée. Une fois cet objectif atteint, la question du raffinement adaptatif de maillage dans le cadre d’un couplage multi-physique sera abordée.

Le candidat doit être titulaire d’un master en mécanique des matériaux et des structures, ou mathématiques appliquées. Il doit avoir des compétences en méthodes numériques et en mécanique des milieux continus. Il doit être rigoureux et capable de s’adapter à une problématique à l’interface entre mécanique et mathématiques appliquées.

La thèse s’effectue en partenariat entre le CEA Cadarache et le Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique de Marseille. De ce fait,
le candidat sera amené à travailler sur les deux sites durant sa thèse.

Directeur de thèse : Frédéric LEBON lebon@lma.cnrs-mrs.fr
Laboratoire : LMA

PhD position : Doctorat en mécanique numérique des matériaux – Laboratoire PIMM, Paris (17/01/2017)

Annonce en anglais et français

Contexte
Les matériaux architecturés [1] sont une classe émergente de matériaux avancés, étendant le champ des possibles en termes de propriétés fonctionnelles. Le terme matériaux architecturés comprend tout matériau hétérogène ayant des propriétés spécifiques améliorées du fait d’une conception morphologique et topologique intelligemment prédéfinie. La fabrication apparait comme une technique idéale pour le développement de tels matériaux.
Dans le cadre d’un projet de recherche portant sur la fabrication additive de matériaux architecturés, on se propose d’étudier des matériaux métalliques à la fois légers et capables de se déformer avec une grande amplitude de façon réversible. Le concept repose sur l’effet conjugué d’une architecture périodique permettant de créer des effets de structure, et d’une déformation amplifiée via le matériau constitutif lui-même super-élastique : le NiTi, un alliage à mémoire de forme obtenu par fabrication additive. Les applications intéressent particulièrement le domaine aéronautique pour la conception de voilure d’engins volant type drones, avec la perspective d’un possible actionnement.
Le but du présent projet est de réaliser une étude paramétrique pour l’optimisation du comportement effectif d’un motif périodique auxétique en NiTi, qui semble un bon candidat pour remplir le cahier des charges d’actuation proposé. Différents paramètres géométriques seront considérés dans cette campagne d’expérimentation numérique menée à l’aide d’un code éléments finis. Les propriétés effectives pour chaque configuration seront obtenues par homogénéisation numérique. Le formalisme thermoélastique anisotrope en transformations finies sera adopté par soucis de précision pour représenter au mieux les variations géométriques de la cellule entre les états actif et passif.
Ce projet de thèse fait partie du projet de recherche collaboratif ALMARIS financé par l’ANR (2017-2021).

Mots-clés
Matériaux architecturés, optimisation topologique, fabrication additive, aéronautique.

Candidat
Le candidat doit avoir obtenu un diplôme de master et/ou diplôme d’ingénieur dans une discipline pertinente : mécanique, méthodes numériques, matériaux, génie aéronautique, etc. et faire preuve d’un intérêt les approches numériques. Bien qu’encouragée, la connaissance préalable du français n’est pas obligatoire, mais un niveau avancé en anglais parlé et écrit est nécessaire pour ce projet. Le candidat doit être très motivé, talentueux
et enthousiaste, et une forte capacité à travailler de façon autonome.
Il s’agit d’un contrat doctoral CNRS de 3 ans à démarrer dès que possible, auquel pourra s’ajouter un monitorat (64h/an), selon la volonté du candidat. Les candidatures incluant dans un seul fichier PDF CV, lettre de motivation, contacts d’au moins 2 personnes susceptibles de recommander le candidat, liste de publications, et notes des 3 dernières années d’études, doivent être envoyées à justin.dirrenberger@ensam.eu.

Références
[1] O. Bouaziz, Y. Bréchet and J. D. Embury, Adv. Eng. Mater., 10(1-2), pp. 24-36, 2008.

Ph.D. Scholarship « SimuIation of waves in complex Media using the extended finite element method » – Université de Liège (02/11/2016)

The proposed research project is about the simulation of mechanical wave propagation in the underground soil and in geophysical fluid flows. These application areas hold major challenges, from both the scientific, technical, environmental and social perspective. To give a single, topical example, hydraulic fracking, a controversial technique to extract hydrocarbons, poses important questions with respect to the potential for triggering earthquakes. Studying this phenomenon requires the development of novel computational methods, both to handle the description of the heterogeneous soil and to solve the associated (extremely) large-scale wave. For this scholarship, we propose to develop an approach based on the extended finite element method to tackle the complex geometry of the underground, first in the frequency domain (Helmholtz equations) and in a more common explicit time domain. An interaction  with other  research  groups involved  in  this project is mandatory. The project involves numerical developments, therefore knowledge in numerical analysis and programming languages is a must.

KEYWORDS : LEVEL-SETS METHOD, EXTENDED FINITE ELEMENTS METHOD, HELMHOLTZ EQUATIONS, MECHANICAL WAVES

Outstanding candidates holding a Master of Sciences (M.Sc.) or an equivalent degree will be considered for this Ph.D. scholarship.
This scholarship has a duration of 3 years, and shall begin as soon as possible. Interested candidates may communicate directly with me for more information and/or send a comprehensive curriculum vitae at the email address below. E. Béchet.

Institut de Mécanique (B-52/3) – Campus Universitaire du Sart-Tilman
Allée de la Découverte, 9 Quartier Polytech
B-4000 Liège (Belgium)
Tél : +32-(0)4-366 9165  Courriel : eric.bechet@ulg.ac.be

Thesis subject