SOLID-SHELL FINITE ELEMENT MODELS FOR EXPLICIT SIMULATIONS OF CRACK PROPAGATION IN THIN STRUCTURES

Crack propagation in thin shell structures due to cutting is conveniently simulated using explicit finite element approaches, in view of the high nonlinearity of the problem. Solidshell elements are usually preferred for the discretization in the presence of complex material behavior and degradation phenomena such as delamination, since they allow for a correct representation of the thickness geometry. However, in solid-shell elements the small thickness leads to a very high maximum eigenfrequency, which imply very small stable time-steps. A new selective mass scaling technique is proposed to increase the time-step size without affecting accuracy. New ”directional” cohesive interface elements are used in conjunction with selective mass scaling to account for the interaction with a sharp blade in cutting processes of thin ductile shells

Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015

This volume contains the full papers accepted for presentation at the ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics 2015 held in the Barcelona School of Industrial Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya, on June 29 - July 2, 2015. The ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics is an international meeting held once every two years in a European country. Continuing the very successful series of past conferences that have been organized in Lisbon (2003), Madrid (2005), Milan (2007), Warsaw (2009), Brussels (2011) and Zagreb (2013); this edition will once again serve as a meeting point for the international researchers, scientists and experts from academia, research laboratories and industry working in the area of multibody dynamics. Applications are related to many fields of contemporary engineering, such as vehicle and railway systems, aeronautical and space vehicles, robotic manipulators, mechatronic and autonomous systems, smart structures, biomechanical systems and nanotechnologies. The topics of the conference include, but are not restricted to: ● Formulations and Numerical Methods ● Efficient Methods and Real-Time Applications ● Flexible Multibody Dynamics ● Contact Dynamics and Constraints ● Multiphysics and Coupled Problems ● Control and Optimization ● Software Development and Computer Technology ● Aerospace and Maritime Applications ● Biomechanics ● Railroad Vehicle Dynamics ● Road Vehicle Dynamics ● Robotics ● Benchmark ProblemsPostprint (published version

Simulation de la dynamique des dislocations à très grande échelle

This research work focuses on bringing performances in 3D dislocation dynamics simulation, to run efficiently on modern computers. First of all, we introduce some algorithmic technics, to reduce the complexity in order to target large scale simulations. Second of all, we focus on data structure to take into account both memory hierachie and algorithmic data access. On one side we build this adaptive data structure to handle dynamism of data and on the other side we use an Octree to combine hierachie decompostion and data locality in order to face intensive arithmetics with force field computation and collision detection. Finnaly, we introduce some parallel aspects of our simulation. We propose a classical hybrid parallelism, with task based openMP threads and domain decomposition technics for MPI.Le travail réalisé durant cette thèse vise à offrir à un code de simulation en dynamique des dislocations les composantes essentielles pour permettre le passage à l’échelle sur les calculateurs modernes. Nous abordons plusieurs aspects de la simulation numérique avec tout d’abord des considérations algorithmiques. Pour permettre de réaliser des simulations efficaces en terme de complexité algorithmique pour des grandes simulations, nous explorons les contraintes des différentes étapes de la simulation en offrant une analyse et des améliorations aux algorithmes. Ensuite, une considération particulière est apportée aux structures de données. En prenant en compte les nouveaux algorithmes, nous proposons une structure de données pour bénéficier d’accès performants à travers la hiérarchie mémoire. Cette structure est modulaire pour faire face à deux types d’algorithmes, avec d’un côté la gestion du maillage nécessitant une gestion dynamique de la mémoire et de l’autre les phases de calcul intensifs avec des accès rapides. Pour cela cette structure modulaire est complétée par un octree pour gérer la décomposition de domaine et aussi les algorithmes hiérarchiques comme le calcul du champ de contrainte et la détection des collisions. Enfin nous présentons les aspects parallèles du code. Pour cela nous introduisons une approche hybride, avec un parallélisme à grain fin à base de threads, et un parallélisme à gros grain de type MPI nécessitant une décomposition de domaine et un équilibrage de charge.Finalement, ces contributions sont testées pour valider les apports pour la simulation numérique. Deux cas d’étude sont présentés pour observer et analyser le comportement des différentes briques de la simulation. Tout d’abord une simulation extrêmement dynamique, composée de sources de Frank-Read dans un cristal de zirconium est utilisée, avant de présenter quelques résultats sur une simulation cible contenant une forte densité de défauts d’irradiation

Effektive Potenziale zur numerischen Untersuchung komplexer intermetallischer Phasen

The class of Complex Metallic Alloys (CMAs) is interesting for its wide range of physical properties. There are materials that exhibit high hardness at low density or good corrosion resistance, which is important for technological applications. Other compounds are superconductors, have strong anisotropic transport coefficients or exhibit a novel magnetic memory effect. The theoretical investigation of CMAs is often very challenging because of their inherent complexity and large unit cells with up to several thousand atoms. Molecular dynamics simulations with classical interaction potentials are well suited for this task – they can handle hundreds of thousands of atoms in reasonable time. Such simulations can provide insight into static and dynamic processes at finite temperatures on an atomistic level. The accuracy of these simulations depends strongly on the quality of the employed interaction potentials. To generate physically relevant potentials the force-matching method can be applied. A computer code called potfit has been developed at the Institute for Theoretical and Applied Physics (ITAP) especially for this task. It uses a large database of quantum-mechanically calculated reference data, forces on individual atoms and cohesive energies, to generate effective potentials. The parameters of the potential are optimized in such a way that the reference data are reproduced as accurately as possible. The potfit program has been greatly enhanced as part of this thesis. The optimization of analytic potentials, new interaction models as well as a new optimization algorithm were implemented. Potentials for two different complex metallic alloy systems have been generated and used to study their properties with molecular dynamics simulations. The first system is an approximant to the decagonal Al-Pd-Mn quasicrystal. A potential which can reproduce the cohesive energy with high accuracy was generated. With the help of this potential a refinement of the experimentally poorly determined structure model could be performed. The second class of potentials was fitted for intermetallic clathrate systems. They have interesting thermoelectric properties which originate from their special structure. Silicon- and germanium-based clathrate potentials were derived and the influence of the complex structure on the thermal conductivity has been studied.Komplexe Intermetallische Verbindungen (CMAs) sind aufgrund ihrer vielfältigen physikalischen Eigenschaften sehr interessant für technologische Anwendungen. Dabei ist z.B. hohe Härte bei geringer Dichte und Korrosionsbeständigkeit wichtig. Neben Supraleitern gibt es Materialien mit anisotropen Transporteigenschaften oder einem neuartigen magnetischen Memory Effekt. Theoretische Untersuchungen von CMAs stellen durch ihre inhärente Komplexität und die riesigen Einheitszellen mit mehreren tausend Atomen oft eine große Herausforderung dar. Molekulardynamiksimulationen mit effektiven Potenzialen können dazu eingesetzt werden; sie ermöglichen die Berechnung von hunderttausenden von Atome in annehmbarer Zeit. Damit kann ein Einblick in sowohl statische als auch dynamische Prozesse auf atomarer Ebene gewonnen werden. Die Ergebenisse solcher Simulationen hängen jedoch sehr stark von der Qualität der eingesetzten Wechselwirkung ab. Um physikalisch gerechtfertigte Potenziale zu erzeugen, kann die Force-Matching-Methode angewandt werden. Dazu wurde am Institut für Theoretische und Angewandte Physik (ITAP) ein Programm mit dem Namen potfit entwickelt. Es verwendet eine große Datenbank von quantenmechanisch berechneten Referenzgrößen wie z.B. Kräfte auf die einzelnen Atome und die Kohäsionsenergie, um effektive Potenziale zu generieren. Die freien Parameter des Potenzials werden optimiert, um die Referenzdaten so gut wie möglich zu reproduzieren. Für diese Arbeit wurde potfit deutlich erweitert. Es können nun analytisch definierte Potenziale optimiert werden, neue Wechselwirkungen wurden implementiert und ein neuer Optimierungsalgorithmus wurde hinzugefügt. Damit wurden effektive Potenziale für zwei verschiedene CMA Systeme gefittet und deren Eigenschaften mit Molekulardynamik untersucht. Für die Approximanten eines decagonalen Al-Pd-Mn Quasikristalls, den Xi-Phasen, wurde ein Potenzial für die Strukturbestimmung erzeugt. Es kann die Kohäsionsenergien verschiedener Strukturen mit großer Genauigkeit wiedergeben. Ein aus experimentellen Daten ungenau bestimmtes Strukturmodell konnte damit erheblich verbessert werden. Außerdem wurden Potenziale für Intermetallische Klathrate erzeugt. Diese Systeme besitzen interessante thermoelektrische Eigenschaften aufgrund ihrer speziellen Käfigstruktur. Effektive Wechselwirkungen für silizium- und germaniumbasierte Klathrate wurden erzeugt. Damit wurde der Einfluss der komplexen Struktur auf die thermische Leitfähigkeit des Gitters untersucht